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Modulation of intestinal inflammation via antigen-targeting to DEC-205 on dendritic cells
No full textMorbus Crohn und Kolitis ulcerosa sind zwei die Hauptformen chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen (CED) im Menschen. Für die Behandlung von CED sind derzeit nur wenige Therapieansätze verfügbar. Die wirksamste Therapieform stellt die Behandlung mit anti-TNF-α Antikörpern dar, allerdings geht dieser Ansatz mit starken Nebenwirkungen einher und führt bei einem Großteil der Patienten nicht zur Verbesserung des klinischen Bildes. Aus diesen Gründen ist es notwendig, neue und spezifischere Therapieansätze für CED zu entwickeln.
Der immunologische Toleranzverlust gegenüber Nahrungsantigenen und / oder Antigenen kommensaler Bakterien scheint ein Auslöser für die Entwicklung von CED zu sein. Daher ist ein vielversprechender Ansatz für die Unterbindung dieser Entzündungsprozesse die Induktion immunologischer Toleranz im Darm. In früheren Studien konnte gezeigt werden, dass die spezifische Antigenbeladung unreifer dendritischer Zellen (DCs) über den Oberflächenrezeptor DEC-205 zur Toleranzvermittlung u.a. über die Induktion Foxp3+ regulatorischer T-Zellen (Treg) und damit zur Unterbindung von Entzündungsprozessen in verschiedenen Mausmodellen führt. Ob dieser Ansatz auch für die Toleranzinduktion im Darm genutzt werden kann, ist unklar.
In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass das Antigen Targeting über DEC-205 zur effizienten Konversion naiver, antigen-spezifischer CD4+ T-Zellen in Foxp3+ Treg im Darm führt. Bemerkenswerterweise konnte über diesen Ansatz die Induktion intestinaler Entzündung in einem neu etablierten Mausmodell unterdrückt werden.
Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die DEC-205 vermittelte Antigenbeladung zur Modulation der Migration differenzierter, antigen-spezifischer TH1-Zellen führt, die eine wichtige Rolle bei humanen CED spielen. Dieser Ansatz führte in einem TH1-Zell vermittelten Darmentzündungsmodell durch die reduzierte Migration der Effektorzellen in den Darm zu einem deutlichen Schutz vor der Entzündung. Interessanterweise konnte durch das DEC-205 vermittelte Antigen Targeting eine verminderte Expression des Chemokinrezeptors CXCR3 auf den TH1 Zellen beobachtet werden, was zu einer reduzierten Migration der Zellen in den Darm führte. In weiteren Analysen, in denen der Mechanismus hinter diesen Beobachtungen untersucht wurde, konnte gezeigt werden, dass es nach Antigen Targeting über DEC-205 zu einer verstärkten IL-10-Sekretion durch unreife DCs kommt. Bemerkenswerterweise führte die erhöhte IL-10-Expression zur direkten Einschränkung der TH1 Zellmigration in den Darm, da die in vivo Neutralisierung von IL 10 die Aufhebung des DEC-205 vermittelten Schutzes im untersuchten Entzündungsmodell zur Folge hatte.
Die Analyse von humanen CED Proben ergab, dass der prozentuale Anteil von CD4+CXCR3+ T-Zellen im Blut der Patienten reduziert, in der entzündeten Darmmukosa allerdings stark erhöht ist. Dies deutet auf eine verstärkte Migration von CD4+CXCR3+ T-Zellen während eines akuten Entzündungsschubes aus der Peripherie in die intestinale Mukosa hin. Interessanterweise wird der systemische Block der Effektorzellmigration derzeit in klinischen Studien als therapeutischer Ansatz für die Behandlung humaner CED untersucht.
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit deutlich, dass das Antigen Targeting über DEC-205 zu einem deutlichen Schutz vor intestinaler Entzündung führt. Dieser Schutz wird durch die Modulation der CXCR3-abhängigen Migration von TH1-Zellen in den Darm vermittelt, so dass ein neuer, hochspezifischer Ansatz für die Behandlung von CED identifiziert werden konnte. In diesem Zusammenhang wurde erstmals gezeigt, dass IL-10 in der Lage ist das Migrationsverhalten von Effektorzellen in Entzündungsherde zu beeinflussen und u.a. auf diese Weise anti inflammatorische Funktionen ausübt.Crohn´s disease and ulcerative colitis are the two major types of inflammatory bowel disease (IBD) in humans. Therapeutic options for IBD to date are rare with anti TNF α medication being most efficacious. However, accompanied by side effects and a significant fraction of non-responders there is need for new, more specific therapies for IBD.
The loss of tolerance towards commensal gut bacteria and / or food antigens seems to be an initial event for the manifestation of disease. Therefore, a promising approach for the prevention of IBD is the induction of tolerance in the gut. Antigen targeting to DEC-205 on immature dendritic cells (DCs) was reported to induce tolerance in different experimental disease settings, i.e. by the induction of Foxp3+ regulatory T cells (Treg). However, whether this approach is sufficient to also induce tolerance in the intestine is currently unknown.
In the present study it was demonstrated for the first time that antigen-targeting to DEC 205 leads to the efficient conversion of naive, antigen-specific CD4+ T cells into Foxp3+ Treg in the gut. Remarkably, this approach resulted in a significant amelioration of disease in a newly established mouse model of intestinal inflammation.
More important, this study provides evidence that targeting antigens to DEC-205 leads to the interference with migratory properties of fully differentiated, antigen specific TH1 effector cells, some of the key mediators of human IBD. In a TH1-cell-mediated mouse model of intestinal inflammation DEC-205-mediated antigen-targeting led to the prevention of inflammation via the reduced migration of TH1 cells into intestinal compartments. Further experiments revealed that the chemokine receptor CXCR3 was down-regulated on TH1 cells with this approach, thereby limiting recruitment of the effector cells into the gut. Further investigations on the mechanism behind these observations showed that antigen-targeting to DEC-205 induces high secretion of anti-inflammatory IL-10 by immature DCs. Strikingly, IL-10 directly interfered with migratory properties of TH1 cells as the in vivo neutralization of IL-10 abolished the protective effect of antigen-targeting to DEC-205 in the examined inflammation model by the significant reduction of TH1 cell migration to the gut.
Moreover, analysis of human IBD samples revealed a reduced percentage of CD4+CXCR3+ T cells in peripheral blood but increased numbers of these cells in the inflamed mucosa suggesting a preferential migration of CD4+CXCR3+ T cells from the periphery to the intestinal mucosa during acute inflammation. Interestingly, the systemic block of effector cell migration to the gut is currently under investigation in clinical trials as therapeutic approach for IBD.
In summary, the results from the present study clearly show that antigen-targeting to DEC-205 significantly reduces inflammation of the gut in different inflammatory settings. Protection from inflammation was achieved through the impairment of CXCR3 dependent TH1 effector cell migration to the gut, providing a novel, highly specific therapeutic approach for IBD. Importantly, it could be demonstrated for the first time that IL-10 is capable of interfering with migratory abilities of effector T cells to sites of inflammation, thereby mediating its anti-inflammatory properties
Experimental Investigations of Growth of Planetesimals in Protoplanetary Discs
No full textIm Kontext der Planetenentstehung wird auf die Theorie und deren experimentelle Bestätigung der Staubkoagulation eingegangen, um die Entwicklung von Planetesimalen in einer protoplanetaren Scheibe zu erklären. In dieser Arbeit werden hierzu Experimente zur Kollision von Staubagglomeraten vorgestellt und deren Ergebnisse diskutiert. Ziel dieser experimentellen Untersuchungen im Labor ist es, Aussagen treffen zu können, unter welchen Umständen Staubagglomerate bei Kollisionen zu größeren Körpern wachsen können. Auch die Beschaffenheit von Staubagglomeraten bezüglich deren Dichte und mechanischen Eigenschaften werden untersucht.
Bei Kollisionen zwischen cm-großen Staubzylindern mit Relativgeschwindigkeiten von 1 m/s kann gezeigt werden, dass das jeweils stabilere (weniger poröse) Agglomerat Masse akkretiert, während der jeweils andere Staubzylinder in der Kollision fragmentiert. Es kann hierfür eine Akkretionsabhängigkeit bezüglich der Kollisionsgeschwindigkeit und der Dichtedifferenz beider stoßender Körper festgestellt und gemessen werden. Besonders die Differenz in der Dichte zweier gleich großer stoßender Staubkörper sind für die Entstehung von Planetesimalen in protoplanetaren Scheiben relevant.
Die Stabilität von Staubagglomeraten in Kollisionen hängt von den mechanischen Eigenschaften des verwendeten Staubes ab. Staub ist kein wirklicher Festkörper, sondern gehört zur Form der granularen Materie. Für diese Form der Materie können in Experimenten die mechanischen Eigenschaften wie die Druckfestigkeit, die Zugfestigkeit sowie der Elastizitätsmodul bestimmt und quantifiziert werden. Ferner stellt sich in weiteren Experimenten zur Beschaffenheit des Staubes heraus, dass die Porösität im inneren Kern von cm-großen Agglomeraten in Kollisionen bei Geschwindigkeiten von 6 - 7m/s nahezu unverändert bleibt. Somit können angewachsene Staubagglomerate in protoplanetaren Scheiben durchaus einen sehr porösen inneren Kern beinhalten.
Es erfolgt zudem eine Untersuchung von μm-großen Staubpartikeln bezüglich ihres Beitrags zum Wachstum von Staubagglomeraten in multiplen Kollisionen mit größeren Targets (im cm-Bereich) bei Kollisionsgeschwindigkeiten mit bis zu 70m/s. Hierbei wird das Wachstum eines Agglomerats durch 50 m/s schnell auftreffende Staubpartikel mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen genau beobachtet und nachgewiesen. In Impakten der Staubprojektile mit Kollisionsgeschwindigkeiten von 50 m/s konnten zudem cm-große Staubagglomerate aufgebaut und deren Dichte vermessen werden. Diese ist, wie zu erwarten, mit einem Volumenfüllfaktor von 38% etwas höher als bei Agglomeraten, welche mit Partikeln ”moderater“ (< 7 m/s) Geschwindigkeiten aufgebaut werden. Quantitativ wird der beobachtete Massenzuwachs mittels Akkretionseffizienzen beschrieben, welche bei verschiedenen Impaktgeschwindigkeiten der Staubprojektile vermessen werden. Es wird gezeigt, dass die Akkretionseffizienz reduziert wird, wenn die Kollisionsenergie der Staubprojektile zunimmt.
Die Resultate dieser Arbeit bestätigen die Koagulationstheorie der Planetenentstehung und stehen für zukünftige Simulationen zur Verfügung. Die Theorie der Koagulation, aber auch die alternative Theorie zur Planetenentstehung, die der Gravitationsinstabilitäten,
profitieren von den Ergebnissen und können präzisiert werden.In the context of planet formation it is presented the theory of dust coagulation and its experimental confirmation to explain the formation of planetesimals in protoplanetary discs. For this, experiments on collisions of dust agglomerates are introduced and the results are discussed in this thesis. The aim of the experimental analysis in laboratory is to specify under which circumstances dust agglomerates could grow to larger bodies in collisions. Also the consistence of dust agglomerates related to the density and mechanical properties are investigated.
At collisions between cm-sized dust cylinders with relative velocities of around 1 m/s it is presented that the more stable (less porous) agglomerate is accreting mass, while the other dust cylinder is fragmented. Related to the collision velocity and the difference in density of two colliding bodies a dependency of accretion is discovered and measured. Particularly the difference in density of two equal sized colliding dust agglomerates are relevant for the formation of planetesimals in protoplanetary discs.
The stability of dust agglomerates in collisions depends on mechanical properties of the used dust. Dust is not a real solid body but belongs to the sort of granular material. For this sort of matter the mechanical properties like the compression strength, the tensile strength and the modulus of elasticity can be determined and quantified. In further experiments concerning the consistence of the dust it turned out that the porosity in the inner core of cm-sized agglomerates is unchanged in collisions at velocities around 6 - 7 m/s. Hence, grown dust agglomerates definitely can exist with a highly porous inner core.
Furthermore an investigation of μm-sized dust particles is carried out concerning their contribution to the growth of dust agglomerates in multiple collisions with larger targets (cm-sized) at collision velocities up to 70 m/s. Here, the growth of an agglomerate by fast (with v = 50m/s) impinging dust particles is observed and proved by the use of a high speed camera. Additionally, cm-sized dust agglomerates can be build up in impacts of dust projectiles with a collision velocity of 50 m/s and their densities can be measured. As expected the density, represented by the volume filling factor, has a value of 38% and is a little bit larger than agglomerates, which are build up with particles possessing ”moderate“
(< 7 m/s) velocities. The determined growth of mass is quantatively described by accretion afficiencies which are measured at different impact velocities of the dust projectiles. It is shown that the accretion efficiency is reduced, if the collision energy of the dust projectiles will be increased.
The results of this thesis confirm the theory of coagulation in context of planet formation and they are at theorists disposal for future simulations. The theory of coagulation but also alternative theories, like gravitational instabilities benefit from these results and can be defined more precisely
The thermodynamic Casimir effect for non-symmetry-breaking and symmetry-breaking boundary conditions
No full textWenn makroskopische Körper sich in einem fluktuierenden Medium befinden und dieses in seiner räumlichen Ausdehnung begrenzen, so können daraus langreichweitige Kräfte zwischen diesen Körpern folgen. Das Spektrum der Fluktuationen wird modifiziert und die Energie des Systems ist dann abhängig von den Abständen zwischen den Körpern, woraus die Existenz einer Kraft zwischen diesen folgt. Die vorliegende Arbeit ist der Untersuchung des Einflusses der Randbedingungen auf den thermodynamischen Casimir-Effekt gewidmet. Hier sind thermische Fluktuationen in der Nähe eines kritischen Punktes ursächlich für diese Kräfte.
Es werden -symmetrische -Theorien in -dimensionalen Filmen der Filmdicke untersucht. Berücksichtigt man zudem externe symmetriebrechende Felder, so lauten die generischen Randbedingungen für diese Theorien . Dabei sind die Parameter Oberflächenkopplungen, welche im Rahmen der Landau-Theorie die Rolle linear extrapolierter Eindringtiefen in die Oberflächen spielen, und Oberflächenfelder.
Der Einfluss der Variablen auf die Casimir-Kraft wird im Rahmen der renormierungsgruppenverbesserten Störungstheorie in Dimensionen in Zweischleifennäherung am \emph{Bulk}-kritischen Punkt untersucht. Besondere Aufmerksamkeit kommt dabei dem Fall kritischer Verstärkung der Oberflächenkopplungen zu, da hier die gewöhnliche Schleifenentwicklung aufgrund einer Nullmode im Spektrum zusammenbricht und in der -Entwicklung daher nicht-ganzzahlige Potenzen von auftreten.
Diese störungstheoretischen Rechnungen sind auf die ungeordnete Phase mit , und beschränkt. Um die Analyse für alle Temperaturen zu ermöglichen, wird der exakt handhabbare Limes des dreidimensionalen -Modells untersucht. Dazu werden selbstkonsistente Gleichungen für die freie Energie hergeleitet, welche numerisch exakt gelöst werden können. Für Dirichlet-Randbedingungen wird hier bei eine Temperaturabhängigkeit der Casimir-Kraft gefunden, welche qualitativ mit den Messungen in der Nähe des Lambda-Übergangs in suprafluidem Helium übereinstimmt. Insbesondere hat sie ein ausgeprägtes Extremum unterhalb der \emph{Bulk}-kritischen Temperatur. Zudem wird im \emph{Large}--Modell der Einfluss der Oberflächenfelder untersucht.
Setzt man die Parameter und auf ihre Fixpunktwerte, so ergeben sich Kräfte, die bei mit einem Potenzgesetz abfallen und entweder attraktiv oder repulsiv sind. Ist das System samt seiner Randbedingungen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene, so wirken immer anziehende Kräfte. Brechen die Randbedingungen jedoch diese Spiegelsymmetrie, so können die Kräfte auch abstoßend sein. Es wird explizit gezeigt, dass Abweichungen von den Fixpunktwerten der Parameter zu Übergängen zwischen attraktivem und repulsivem Verhalten bei Variation der Filmdicke führen können.When macroscopic bodies are immersed in fluctuating media, long-range forces between these bodies may occur. The fluctuation's spectrum is modified resulting in a dependence of the system's energy on the separation between the objects, straightforwardly leading to the existence of a force between the bodies. This work is dedicated to the analysis of how boundary conditions affect the thermodynamic Casimir effect where thermal fluctuations near a critical point induce these forces.
symmetric theories in -dimensional slab geometries of thickness are considered. When symmetry breaking external fields are present as well, the generic boundary conditions of these theories read where the coefficients are surface couplings, serving as linearly extrapolated penetration depths into the surfaces in Landau theory, and are surface fields.
The influence of the surface couplings on the Casimir force is investigated by means of the renormalization-group-improved perturbation theory in dimensions to two-loop order at the bulk critical point. Special attention is paid to the case of critical enhancement of the surface interactions which results in the existence of a zero mode leading to a breakdown of the usual loop expansion of the free energy and implicating the emergence of non-integer powers of in the expansion.
These perturbative methods are restricted to the disordered phase with , , and . In order to extend the analysis to the whole temperature axis, the exactly treatable limit of the three-dimensional model is investigated. A set of self-consistent equations for the free energy is derived that can be solved numerically exact. Considering Dirichlet boundary conditions and vanishing external fields, one finds a temperature dependence of the Casimir force that exhibits the qualitative features of the experimentally measured force near the lambda transition in superfluid helium. In particular the existence of an extremum below the bulk critical point is reproduced. Additionally, the influence of the surface fields is investigated in the large- limit.
If one fixes the coefficients and to their respective fixed-point values, the Casimir forces decay algebraically at being either attractive or repulsive. When the system --- including the boundary conditions --- is mirror symmetric with respect to a plane, these interactions are guaranteed to be attractive. This does not hold when boundary conditions break mirror symmetry. In this case repulsive forces may occur. It is explicitly shown that deviations of the coefficients from their fixed-points may lead to crossovers between attractive and repulsive Casimir forces when varying the film thickness
Hydraulic resistance of biofilms in membrane filtration systems
No full textDie weltweit steigende Nachfrage nach Trinkwasser geht mit immer strengeren Anforderungen an die Trinkwasserqualität einher. Membranfiltrationsprozesse (z.b. Nanofiltration und Umkehrosmose) bieten eine Möglichkeit, den strengen Anforderungen gerecht zu werden. Durch das Auftreten von Biofouling können membrangestützte Trinkwasseraufbereitungssysteme eine erhebliche Einschränkung ihrer Produktivität erfahren. Biofouling tritt ein, wenn das Biofilmwachstum auf der Membranoberfläche einen Toleranzwert überschreitet. Dies beeinflusst die Förderkanaldruckdifferenz und die transmembrane Druckdifferenz negativ, wodurch die Wasserproduktion (Permeatfluss) verringert wird. Dies erhöht die Betriebskosten der Membranfiltrationsanlage immens und kann die Wasseraufbereitung mit Membranfiltration unter wirtschaftlichen Aspekten untragbar machen. In Membranfiltrationsanlagen verhalten sich Biofilme wie eine zusätzliche Membran und fügen einen weiteren hydraulischen Widerstand zu dem der Membran hinzu. Um die Wasserproduktionsrate dennoch konstant zu halten, muss die transmembrane Druckdifferenz erhöht werden. Aufgrund ihres hohen Reibungswiderstands verringern Biofilme die Querstromgeschwindigkeit in der Filtrationseinheit. Um dem entgegen zu wirken, muss der Wasserdruck am Eingang der Filtrationseinheit erhöht werden. Eine Druckerhöhung im Membranfiltrationssystem geht immer mit einer Erhöhung der Betriebskosten einher. Biofilme können auch Auswirkungen auf die Konzentrationspolarisation in einer Membranfiltrationsanlage haben. Konzentrationspolarisation ist die Anreicherung von gelösten Substanzen auf der Membranoberfläche, welche durch die Membran zurückgehalten werden. Durch den fehlenden Querstromfluss innerhalb eines Biofilms wird die Akkumulation von Salzen begünstigt und damit die Konzentrationspolarisation verstärkt, was einen negativen Einfluss auf die Filtrationsleistung hat. Hinsichtlich der großen Bedeutung, die Biofilme für die Membranfiltration haben, war es überraschend, dass zu Beginn dieser Arbeit keine Daten über den hydraulischen Widerstand von Biofilmen und deren Einfluss auf die Membranleistung verfügbar waren.
Das Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung des hydraulischen Widerstandes von Biofilmen und die Untersuchung, wie diese von Permeatfluss, Durchflussgeschwindigkeit, Nährstoffangebot und Feed Spacer beeinflusst werden.
Um den hydraulischen Widerstand von Biofilmen, die Förderkanaldruckdifferenz und die transmembrane Druckdifferenz zu messen, wurde ein kleinformatiges Membranfiltrationssystem entwickelt (Kapitel 2). Die Verwendung einer Mikrofiltrationsmembran (Porengröße 0,05 µm) verhinderte die Konzentrationspolarisation von Salzen an der Membranoberfläche, wodurch der Betrieb bei niedrigem Druck sowie die exakte Messung des hydraulischen Widerstandes der Biofilme ermöglicht wurde. Eine umfangreiche Validierung des Systems zeigte, dass dieses Filtrationssystem geeignet ist, den hydraulischen Widerstand von Biofilmen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.
Die Untersuchungen in dem oben beschriebenen System wurden bei zwei Permeatflussgeschwindigkeiten (20 und 100 L m-2 h-1) und einer konstanten Querstromgeschwindigkeit (0.1 m s-1) durchgeführt (Kapitel 3). Der hydraulische Widerstand der Biofilme erreichte Werte von bis zu 50 × 1012 m−1, bei einem Permeatfluss von 20 L m-2 h-1. Ein höherer Permeatfluss hatte einen vergrößerten Biofilmwiderstand zur Folge. Der Widerstand wurde nicht durch Bakterienzellen, sondern durch extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) verursacht. Der Biofilmwiderstand war hoch im Vergleich zu dem Widerstand der verwendeten Mikrofiltrationsmembran, jedoch niedrig im Vergleich zu dem Widerstand von Nanofiltrations- (20%) und Umkehrosmosemembranen (2%). Dennoch spielt Biofouling aufgrund einer durch Biofilme verstärkten Konzentrationspolarisation, für Nanofiltration und Umkehrosmose eine große Rolle. Ein Biofilm auf der Membranoberfläche begünstigt die Akkumulation von Salzen, was wiederum die Filtrationsleistung beeinträchtigt.
Bei einem konstanten Permeatfluss von 20 L m-2 h-1 wurden die Biofilmakkumulation, der transmembrane (Biofilm-) Widerstand und die Förderkanaldruckdifferenz in Abhängigkeit von der Querstromgeschwindigkeit (0.05 und 0.20 m s-1) und dem Einsatz von Feed Spacern untersucht (Kapitel 4). Durch die Zugabe von Azetat als biologisch abbaubaren Nährstoff im Zuflusswasser (0.25 und 1.0 mg L-1 Kohlenstoff) konnte eine beschleunigte Biofilmakkumulation erreicht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die Entstehung von Biofilmen in Membransystemen sowohl die Förderkanaldruckdifferenz als auch die transmembrane Druckdifferenz ansteigen lässt. Der hydraulische Widerstand des Biofilms stieg durch (i) erhöhtes Nährstoffangebot, (ii) erhöhte Querstromgeschwindigkeit und (iii) die Verwendung eines Feed Spacers. Die häufig in der Praxis angewendeten Produktionsparameter in Membranfiltrationsanlagen (hohe Querstromgeschwindigkeiten und Feed Spacer Anwendung) verstärken die Auswirkungen von Biofouling auf die Membraneffizienz.
Die Ergebnisse dieser Arbeit sowie mögliche zukünftige Forschungsansätze für Biofouling-Untersuchungen werden in Kapitel 5 diskutiert. Die Transformation von Biofilmen zu einem Biofouling Problem kann durch die Senkung des Nährstoffgehalts im Zuflusswasser, einen niedrigen Permeatfluss und eine niedrige Querstromgeschwindigkeit hinausgezögert werden. Die Konzentrationspolarisation könnte einerseits durch eine niedrigere Querstromgeschwindigkeit erhöht, andererseits durch einen niedrigeren Permeatfluss wieder verringert werden. Der Nährstoffgehalt innerhalb der Filtrationseinheit wird jedoch durch eine niedrige Querstromgeschwindigkeit verringert. Biofouling-Hemmung durch Reduzierung der Nährstoffe ist keine neue Erfindung, aber dennoch eine der effektivsten Lösungen um das Biofouling-Problem hinauszuzögern. Zukünftige Studien sollten sich mit den Auswirkungen von modifizierten Betriebsparametern und angepassten Feed Spacern auf die Effizienz der Membransysteme, die Konzentrationspolarisation und die nötige Reinigungsfrequenz beschäftigen. Eine Anwendung und Erforschung in „real life“ Umgebungen wäre wünschenswert.The demand for drinking water in the world is increasing and water quality regulations become more stringent. High quality water can be produced with membrane filtration processes such as nanofiltration and reverse osmosis systems. A serious limitation in the application of these membrane processes for water treatment is biofouling. Biofouling occurs when the growth of biofilms negatively impacts membrane performance parameters like feed channel pressure drop and transmembrane pressure drop leading to a reduced water production (permeate flux). Biofouling increases the costs of plant operation strongly, and may even be prohibitive for the application of membrane filtration in water treatment. A biofilm acts like a secondary membrane on top of the filtration membrane adding an additional hydraulic resistance to the filtration system requiring an increase in transmembrane pressure to keep the production rate constant. Biofilms also lower the crossflow velocity inside a membrane module due to a high friction resistance. In order to maintain a steady transport of water throughout the whole filtration system higher feed pressures have to be applied. An increase in pressure always increases the operational costs. Concentration polarization, the accumulation of a solute at the membrane surface which is caused by the solute rejection of the membrane, can be influenced by the presence of biofilms as well. The lack of crossflow inside the biofilm enhances the accumulation of salts which leads to concentration polarization and decreases the performance. Regarding the importance of biofilms it is surprising that at the start of this PhD study, no data was available on the intrinsic hydraulic resistance of biofilms and its impact on membrane performance.
The main objective of this thesis was to determine the hydraulic resistance of biofilms and how it was affected by (operational) parameters such as permeate flux, crossflow velocity, biodegradable substrate content, and feed spacer presence.
A monitor was developed to assess the (i) hydraulic biofilm resistance and (ii) performance parameters feed channel pressure drop and transmembrane pressure drop (Chapter 2). By using a microfiltration membrane (pore size 0.05 μm) salt concentration polarization was avoided, allowing operation at low pressures enabling accurate measurement of the hydraulic biofilm resistance. Extensive validation tests showed that the small-sized monitor is a suitable tool to study the hydraulic biofilm resistance under controlled conditions.
With the developed monitor system studies were performed at two fluxes (20 and 100 L m-2 h-1) and constant crossflow velocity (0.1 m s-1) (Chapter 3). The biofilm resistance reached values up to 50 × 1012 m−1 at a flux of 20 L m-2 h-1. An increased permeate flux (rate of water production) caused a higher resistance. The resistance was not caused by bacterial cells but by the extracellular polymeric substances (EPS) matrix. The biofilm resistance was (i) high compared to the resistance of the employed microfiltration membrane but (ii) low compared to the resistance of nanofiltration (20%) and reverse osmosis (2%) membranes. Nevertheless, biofouling is an important topic for nanofiltration and reverse osmosis membrane systems due to biofilm enhanced concentration polarization. The presence of a biofilm on the membrane surface enhances the accumulation of salts which requires increased pressure operation or causes a decreased water production rate.
Biofilm accumulation, transmembrane (biofilm) resistance and feed-channel pressure drop were studied as a function of crossflow velocity (0.05 and 0.20 m s-1) and feed spacer presence at a permeate flux of 20 L m-2 h-1 (Chapter 4). As biodegradable nutrient, acetate was dosed to the feed water (0.25 and 1.0 mg L-1 carbon) to enhance biofilm accumulation in the monitors. This study showed that biofilm formation in membrane systems increased both the feed-channel and transmembrane pressure drop. The hydraulic biofilm resistance was increased by a (i) high biodegradable substrate load, (ii) high crossflow velocity, and (iii) feed spacer presence. Current membrane practice (high crossflow velocity and feed spacer presence) increased the impact of biofouling on membrane performance.
The results obtained by the studies described in this thesis are discussed in Chapter 5 and suggestions for future research are given. Nutrient limitation, low flux operation, and low crossflow velocity delay the transformation from biofilm into biofouling. Concentration polarization may be increased by a lower crossflow velocity but reduced by a lower permeate flux. The nutrient load in the membrane system will be reduced by the application of low crossflow velocities. Biofouling prohibition by nutrient limitation is nothing new but still one of the most effective ways to slow down the problem. The impact of modified operation conditions and design (e.g. spacers, membrane module) on membrane performance, cleanability, and concentration polarization in full scale membrane systems should be part of future biofouling research
Lösungsraumanalyse für Plug-In-Hybridfahrzeuge hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Bauraumkonzept
No full textEin verändertes Umfeld für individuelle Mobilität lässt neben Elektrofahrzeugen auch Plug-In-Hybridfahrzeuge (PHEVs) in den Fokus der Öffentlichkeit rücken. Für die Entwicklung solcher Fahrzeugkonzepte existiert ein technischer Lösungsraum, der sich in Maßkonzept, Topologie, Komponententyp und -auslegung gliedert. In einem strukturierten Vorgehen wird der große technische Lösungsraum mit geeigneten Prämissen eingegrenzt. Der Lösungsraum aus Energieinhalt des elektrochemischen Hochvolt-Speichers (HV-Speicher) und Leistung der elektrischen Maschine wird hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Bauraumkonzept analysiert.
In der Wirtschaftlichkeitsanalyse von PHEVs aus Käufersicht werden die Mehrkosten in der Anschaffung den reduzierten Verbrauchskosten bei der Nutzung eines PHEVs im Vergleich zu einem rein verbrennungsmotorischen Fahrzeug gegenübergestellt. Die Reduzierung der Verbrauchskosten resultiert aus der Kraftstoffverbrauchseinsparung eines PHEVs, ermittelt mit dem neuen europäischen Fahrzyklus und mit monatelang aufgezeichneten Realfahrten verschiedener Fahrer. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigt, dass ein PHEV für Käufer ein attraktives Angebot darstellt, vor allem zukünftig sowie abhängig vom Fahr- und Nutzungsprofil. Außerdem wird der optimale Auslegungsbereich des elektrischen Systems eines PHEVs identifiziert. Für das Optimum darf der Energieinhalt des HV-Speichers nicht zu klein gewählt werden aufgrund eines hohen Grundbetrags an zusätzlichen Herstellkosten für Automobilhersteller, der im Rahmen von Mehrkosten an Käufer weitergegeben wird. HV-Speicher mit eher höherem Energieinhalt sind auch außerhalb des Optimums wegen der stärker steigenden Mehrkosten im Vergleich zum geringer zunehmenden Verbrauchsvorteil.
Der Schwerpunkt der Bauraumkonzeptanalysen liegt auf der geometrischen Integration des HV-Speichers in das Gesamtfahrzeug. Dies stellt eine große Herausforderung dar aufgrund der geringen Energiedichte des HV-Speichers im Vergleich zu Benzin. Die Bauraumanalyse identifiziert bevorzugte Integrationsmöglichkeiten bei PHEVs im Tunnel- und Tankbereich sowie deren Kombination. Der in diesen Bauräumen mögliche Energieinhalt wird durch die HV-Speicheranalyse festgelegt. Der ermittelte optimale Auslegungsbereich im Lösungsraum des elektrischen Systems hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit aus Käufersicht wird unter geometrischen Randbedingungen aus der Bauraumkonzeptanalyse weiter eingegrenzt.
Der Kern des ganzheitlichen Ansatzes sind entwickelte parametrische Modelle für die Anwendung in der frühen Entwicklungsphase auf Komponenten- und Gesamtfahrzeugebene in MATLAB, MS Excel und CATIA V5. Neben den Ergebnissen für das Jahr 2011/12 zeigen Prognosen die Entwicklungen bis in die Jahre 2020 und 2025. Sensitivitätsanalysen zeigen die Auswirkungen von Variation der Parameter und Prämissen. Der interdisziplinäre Ansatz mit der erstmaligen Kombination von Kosten, Verbrauch und Bauraumkonzept eines PHEVs zur optimalen Auslegung des elektrischen Systems stellt den wissenschaftlichen Beitrag dar.Plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) are shifted into the focus of the general public alongside battery electric vehicles because of the changing environment for individual mobility. There is a wide technical solution scope for the vehicle concept characteristics that consists of main vehicle dimensions, drive train and energy storage architectures, component technology as well as dimensioning. In a systematic design approach, the technical solution scope for PHEVs is defined based on suitable assumptions and is then analysed for the energy capacity in the high-voltage accumulator (HV-accumulator) and the peak power output of the electrical motor.
The analysis of the economic efficiency of PHEVs for customers contrasts the additional acquisition costs with the reduced costs for consumption of a PHEV in relation to a comparable internal combustion engine vehicle. The savings of the costs for consumption results from reduced fuel consumption. The basis of the analysis is the New European Driving Cycle and real-life driving profiles, measured over several months. The analysis of the economic efficiency shows that a PHEV is an attractive offer for customers, dependent on the driving and usage behaviour. Furthermore, an optimal dimensioning of the electrical system is identified for the HV-accumulator. A too small HV-accumulator is not beneficial due to a high basic amount of additional manufacturing costs for the car manufacturer, which is passed as additional acquisition costs to the customer. The same holds true for a HV-accumulator that is too large due to the relatively slow rise in benefits of fuel consumption compared with the increase in acquisition costs.
In the geometrical analysis the installation of the HV-accumulator in the total vehicle is the major challenge because of the small energy density compared to fuel. The analysis of the constructed spaces in a vehicle identifies PHEVs preferred installation spaces for the HV-accumulator in the tunnel and tank area as well as the combination of both. The following analysis of the HV-accumulator estimates the possible energy content in the specific installation space. The identified optimal configuration range of the electrical system regarding economic efficiency of PHEVs for customers is additionally limited due to geometrical boundary conditions as a result of the geometrical analysis.
The basis of the holistic approach are developed parametric models for the analysis in the early stage of vehicle development on component and total vehicle level in MATLAB, MS Excel and CATIA V5. Additionally to the results for 2011/12, forecasts for 2020 and 2025 are presented. Effects of varying assumptions and the characteristics of the electrical system are investigated via sensitivity analysis. The interdisciplinary approach combining costs, consumption and geometrical design for the first time and therefore determining an optimal dimensioning of the electrical system in PHEVs represents the scientific contribution
The influence of Nordic Walking training on the pathology and physical performance in patients with Parkinson's disease
No full textMorbus Parkinson ist eine neurodegenerative Erkrankung des fortgeschrittenen Lebensalters. Zu den zentralen motorischen Beeinträchtigungen gehört der schlurfende, kleinschrittige und langsame Gang mit zunehmender Stand- und Gangunsicherheit aufgrund der Reduktion posturaler Reflexe. Der zentrale Bestandteil der Therapie dieser Erkrankung ist eine dopaminerge Medikation, die sehr kostenaufwändig ist.
Obwohl sich die Sporttherapie bei chronischen Erkrankungen bereits gut etabliert hat, besteht für die Parkinsonkrankheit diesbezüglich noch viel Forschungsbedarf. Gehirnforscher konnten zeigen, dass das Gehirn trainierbar ist, und dass es insbesondere durch körperliche Aktivität sowie sensorisch sehr gut stimuliert werden kann. In verschiedenen Tiermodellen wurden sehr erfolgsversprechende Ergebnisse gefunden. Leider sind in der Literatur nur wenige sporttherapeutische Interventionsstudien zu finden, die zeigen, dass die Leistungsfähigkeit von Parkinsonpatienten durch körperliche Aktivität verbessert werden kann. Es ist jedoch immer noch unklar, welche Trainingsmethode für welches Patientenklientel am besten geeignet ist. Außerdem bleibt die Frage offen, ob die Parkinsonpatienten ähnlich trainierbar sind wie gesunde Kontrollen.
Das Primärziel der vorliegenden Studie war, die Effekte eines 12-wöchigen Nordic Walking Trainings auf die Symptomatik, die Gangfähigkeit, die Aufstehleistung, die Oberschenkelkraft und die respiratorische, sowie metabolische Leistungsfähigkeit zu untersuchen. Das Sekundärziel bestand darin, die Effekte des Trainings zwischen Parkinsonpatienten und gleichaltrigen gesunden Kontrollpersonen zu vergleichen.
Mithilfe einer 3D-Kinematik Analyse wurden bei 18 Patienten und 18 gesunden Kontrollen das Gangbild und die Aufstehleistung untersucht. Um die Symptomatik der Parkinsonpatienten zu beurteilen, wurde der UPDRS (Unified Parkinson’s Disease Rating Scale) für den motorischen Bereich erhoben. Desweiteren führten alle Probanden eine isokinetische Kraftmessung der Oberschenkelkraft und eine Leistungsdiagnostik mit Spriroergometrie und Laktatmessung auf dem Laufband durch. Die Bewegungsanalyse und die UPDRS Untersuchung wurden im medizinischen OFF-Zustand durchgeführt, während der Krafttest und der Laufbandtest im medizinischen ON-Zustand durchgeführt wurden. Alle Probanden nahmen an einem 12-wöchigen Nordic Walking Trainingsprogramm teil und trainierten 3 mal wöchentlich jeweils 60 Minuten. Die Untersuchungen fanden vor und nach der Trainingsphase statt.
Das 12-wöchige Nordic Walking Training bewirkte bei den Patienten eine durchschnittliche Verbesserung des UPDRS Scores um 2 Punkte, was eine statistische Tendenz darstellt. Dabei wurde in den Ergebnissen eine hohe Variabilität festgestellt, was darauf hinweist, dass die Patienten in ihrer Krankheitssymptomatik trotz ähnlichem Hoehn & Yahr Stadium (Range 2-2,5) sehr inhomogen waren.
Die durchschnittliche Leistung der Patienten im Gangverhalten und im Aufstehen blieb nach dem Training unverändert. Dabei konnte insbesondere in der Ganganalyse eine hohe Leistungsheterogenität beobachtet werden, die auf eine Responderanalyse hinweist. Auf diese wurde jedoch aufgrund der dadurch zustande kommenden kleinen Gruppengröße verzichtet. In der Literatur sind verschiedene Strategien für das Aufstehen bei Parkinsonpatienten oder anderen körperlich eingeschränkten Personen beschrieben. Diese stimmen jedoch nicht mit den Ergebnissen der vorliegenden Studie überein. Die Patienten zeigten stattdessen ähnliche Bewegungsmuster wie Gesunde, nur in einer verlangsamten Ausführung.
Nach dem 12-wöchigen Training erhöhte sich in allen isokinetischen Arbeitsweisen die Oberschenkelkraft der Patienten. Dadurch kann gefolgert werden, dass ein mittelfristiges, kraftunspezifisches Training zu deutlichen Verbesserungen der statischen wie dynamischen Oberschenkelkraft führt. Zwischen dem mehr und dem weniger betroffenen Bein konnten keine Leistungsunterschiede beobachtet werden.
Durch die Leistungsdiagnostik konnte gezeigt werden, dass sich die Patienten in ihrer Sauerstoffaufnahmekapazität und in ihrer Leistung an den Laktatschwellen LT und IAS durch das Training verbesserten. Es konnten jedoch keine Anpassungserscheinungen in den metabolischen Messgrößen (z.B. Gehökonomie, Laktatkonzentration) beobachtet werden. Im Vergleich zu den Normwerten erreichten die Patienten das altersgerechte Leistungsniveau, jedoch des unteren Bereichs.
Auf der Basis der statistischen Analyse aller kinematischen, isokinetischen und respiratorischen, sowie metabolischen Messgrößen wurden keine Unterschiede zwischen den Trainingseffekten der Parkinsonpatienten und den gleichaltrigen gesunden Kontrollen gefunden. Jedoch zeigte sich ein tendenzieller Gruppenunterschied in der Gangleistung: Während die gesunden Kontrollen ihre Gehgeschwindigkeit und Schrittlänge verbesserten, blieben die Patienten darin unverändert. In der Aufstehleistung konnte ebenfalls in beiden Gruppen keine Leistungsverbesserung erreicht werden. Jedoch verbesserten beide Gruppen ihre Oberschenkelkraft, während die Patienten dabei tendenziell mehr Kraftzuwachs erzielten als die gesunden Kontrollen. Die Ergebnisse aus der Spiroergometrie und dem Laktattest deuten darauf hin, dass die Patienten dazu fähig sind, die Leistung der gesunden Kontrollen zu erreichen, jedoch scheint es, dass eine erhöhte Atemfrequenz und anaerobe Energieutilisation bei den Patienten dafür verantwortlich sind. Das Nordic Walking Training hatte darauf keinen Einfluss.
Zusammengefasst legen die Ergebnisse der vorliegenden Studie dar, dass sich die Symptomatik von Parkinsonpatienten durch Nordic Walking Training tendenziell verbessern lässt. Desweiteren konnte nachgewiesen werden, dass die körperliche Leistungsfähigkeit durch Training bei Parkinsonpatienten verbessert werden kann, ähnlich wie bei gleichaltrigen gesunden Kontrollen. Neben der medikamentösen Therapie zeigt sich die Sporttherapie als vielversprechende Zusatztherapie bei Morbus Parkinson und sollte in die Behandlung dessen intensiver mit eingebunden werden. Hierfür hat sich das Nordic Walking als eine sichere und einfach durchführbare Trainingsmethode gezeigt.Parkinsonism is a neurodegenerative disease in elderly people. The main motor impairments are shuffling, small stepping and slowed walking movements with insecurity in balance and walking due to the reduction of postural reflex. In the first instance this disease is treated with dopaminergic medication, which is very expensive.
Even though the sport therapeutic treatment is effective in chronic diseases, it is still unestablished in Parkinson’s disease. Brain scientists proofed that the brain can be trained and is more efficient by physical activity and motor plus sensory stimuli. Research in different animal models have shown promising results. Unfortunately, only few sport therapeutic intervention studies are found in the literature, showing that patients with Parkinsonism are able to improve their corporal capacity by physical training. It is still unclear which training methods are most appropriate for which patient population. Furthermore the question remains, whether patients with Parkinsonism can be trained by similar physical training as healthy controls.
The primary goal of the present study was to investigate the effects of 12 weeks Nordic Walking training on the pathology of Parkinsonism, the ability of walking, the ability of sit to stand performance, the thigh muscle strength and the respiratory plus metabolic capacity. The secondary goal was to compare the effects of the training between patients with Parkinsonism and same aged healthy controls.
With 3D kinematics analysis 18 patients with Parkinsonism and 18 healthy controls were investigated according to their ability to walk and sit to stand performance. The pathology of the disease was tested by UPDRS (Unified Parkinson’s Disease Rating Scale) motor part. Furthermore all participants were conducting isokinetic strength measurement of the thigh muscles and a performance diagnosis with spiroergometry and lactate test on a treadmill. The patients performed the kinematics analysis and the UPDRS test in the medicinal OFF-status, while the strength test and the treadmill test were conducted under the medicinal ON-status. All participants took part in a 12-week Nordic Walking training program and trained 3 times per week for 60 min each. They were tested before and after training.
The 12-week Nordic walking training generated in the patients a mean improvement of the UPDRS Score of two points, which shows the tendency of statistical significance. The results were highly variable, indicating that the patients differ considerably in their disease pathology despite their homogeneous Hoehn & Yahr stage (range 2-2.5).
The mean performance of the patients in the ability of walking and sit to stand performance was unchanged after training. Especially in the results of the walking analysis high heterogeneity was realized, referring to a responder analysis. However it was resigned to conduct a responder analysis because the arising sample size would be too small for scientific analysis. In literature different strategies for sit to stand performance of patients with Parkinsonism or other physical impaired persons are presented,which don’t correspond with the results of the present study. The patients showed instead similar motion patterns to healthy controls, but with slowed execution.
In all isokinetic contraction modes the thigh muscle strength increased in patients after the 12-week training period. These results demonstrate that medium-term, strength unspecific Nordic Walking training leads to clear improvements of static and dynamic thigh muscle strength. No differences between the more and less affected leg were observed.
The performance diagnosis revealed that the patients improved in oxygen uptake as well as in power at the lactate threshold LT and IAS by training. No adaptations were found in the metabolic variables (for example economy of movement and lactate). In accordance to normal ranges, the patients achieved age-based efficiency, however in the lower ranges.
On the basis of the statistical analysis of all kinematics, isokinetic and respiratory plus metabolic measurements no differences were found in the training effects between patients with Parkinsonism and healthy controls of the same age. However a difference between the groups in walking has been identified: Whereas the healthy controls increased their gait speed and step length, the patients remained unchanged. During sit to stand performances both groups revealed unchanged. However the patients as well as the controls improved their thigh muscle strength. The improvement of the patients tend to be higher than in the control group. The spiroergometry and lactate tests indicate that patients are able to reach the performance level of healthy controls by training. But it seems that elevated respiratory frequency and increased anaerobic energy supply are responsible for this achievement in patients. The Nordic Walking training did not have any influence on this.
In summary the results of the present study demonstrate that the pathology of Parkinsonism can improve by Nordic Walking training. Additionally there is evidence that the physical performance can be improved by training, similar to healthy controls in the same age. Beside the medicinal therapy in Parkinson’s disease it becomes apparent that the sport therapy is a promising add-on therapy and should be more extensively implicated into Parkinson’s disease therapy. For this purpose Nordic Walking proofed to be a safe and easy performable training method
Ergodizitätseigenschaften Iterierter Funktionensysteme unter Kontraktions- und Driftbedingungen nur am Rande.
No full textZeitreihenmodelle sind in den letzten Jahrzehnten vielfach zur Modellierung von Finanzmarkt- Zeitreihen, z.B. Aktienkursverläufen, eingesetzt worden (siehe z.B. McNeil und Frey [8], Basrak [2], Tsay [31]). Insbesondere erfreut sich das sogenannte AR(1)-ARCH(1)-Modell (autoregressiv von 1. Ordnung mit ARCH(1)-Störterm) einer intensiven Behandlung in der Literatur (siehe z.B. Borkovec und Klüppelberg [19], Cline [5], Würtz und Chalabi und Luksan [22]). Zur Si- cherung der (asymptotischen) Stabilität bzw. Stationarität eines so erzeugten Prozesses suchen die Theoretiker nach dafür hinreichenden Parameterkonstellationen an die Übergangsfunktion.
Die oben genannten Zeitreihenmodelle lassen sich auffassen als spezielle Iterierte Funktionen- systeme (abgekürzt IFS). Daher ist die für solche Systeme bereits entwickelte Theorie auf die interessierenden Zeitreihenmodelle anwendbar.
Wünschenswerte Ergodizitätseigenschaften von Iterierten Funktionensystemen mit unabhängi- gen, identisch verteilten Innovationen lassen sich, ganz generell gesagt, unter gewissen Kontrak- tionsbedingungen an die Übergangsfunktion gewinnen. Einige generelle Kontraktionsbedingun- gen, die im Laufe der Zeit für IFS entwickelt wurden, werden vorgestellt und zueinander in Beziehung gesetzt. Je nach Art der Kontraktionsbedingung, z.B. verwendeter Norm oder Me- trik, lassen sich bestimmte Konvergenzeigenschaften der bei IFS interessierenden Markov-Kette nachweisen, damit verknüpft die Existenz einer eindeutigen stationären Verteilung.
Solche Kontraktionsbedingungen stellen natürlich eine manchmal unwillkommene Einschrän- kung an den Entwurf einer Übergangsfunktion eines IFS dar. Ein Beispiel dafür bieten etwa AR(1)-Zeitreihen mit ARCH(1)-Innovationen (vgl. z.B. BuK [19]).
Traditionellerweise werden derartige Modelle bzw. Übergangsfunktionen „im Ganzen“ definiert, d.h. über dem ganzen Zustandsraum des Systems. Da die Kontraktionsbedingungen aber in die- sem Fall als einschränkend angesehen werden, gibt es Ansätze, diese mit gehörigem Aufwand abzuschwächen.
In diesem Zusammenhang schlägt Herkenrath [13] eine Modifizierung des AR(1)-ARCH(1)- Prozesses vor, die „unrealistisch hohe“ Schwankungen ausschließen und damit extrem hohe und extrem niedrige Werte vermeiden soll. Die Modifikation geschieht durch eine „Glättung“ der Übergangsfunktion außerhalb des „normalen“ Wertebereichs, einem Kompaktum. Wünschens- werte Eigenschaften des Prozesses, eben (asymptotische) Stabilität bzw. Stationarität, können dank eines Satzes von Feigin und Tweedie [32] durch geeignete Kontraktions- und Driftbedin- gungen nur außerhalb des normalen Wertebereichs gesichert werden, während innerhalb dieses Bereichs nur Stetigkeitsannahmen nötig sind. Diese Kontraktions- bzw. Driftbedingungen wie- derum werden durch die Aufeinanderschaltung von geeigneten Glättungsfunktionen auf die Übergangsfunktion außerhalb des normalen Wertebereichs erzielt.
Diesen Ansatz werden wir in der vorliegenden Arbeit ausweiten und verschiedene Ausformun- gen von Glättungsfunktionen unter theoretischen wie auch empirischen Aspekten untersuchen.
Die Arbeit ist wie folgt gegliedert:
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• In Kapitel 1 werden zunächst die notwendigen Grundlagen geschaffen und Rahmenbedin- gungen umrissen, um Eigenschaften und Effekte von Glättungsfunktionen zu untersuchen. Anschließend werden in den Abschnitten 1.2 - 1.5 anhand von konkreten Beispielen, jeweils unterschiedliche Erscheinungsformen für das zentrale Konzept der Kontraktionsbedingung vorgestellt und damit die Betrachtung von IFS motiviert.
• Mit dem gewonnenen Rüstzeug, werden in Kapitel 2 unterschiedliche Glättungsfunktionen untersucht und (minimale) Bedingungen zur Sicherung der gewünschten Ergodizitätsei- genschaften herausgearbeitet (vgl. 2.1.1). Es werden die Beziehung bzw. Wechselwirkung der Glättungsfunktionen zu Kontraktionsbedingungen (2.1), aber auch zu Driftbedingun- gen und somit geometrischer Ergodizität (2.2) untersucht. Dieser Zusammenhang bietet die Möglichkeit, die unterschiedlichen Glättungskonzepte untereinander vergleichbar zu machen und so werden in Abschnitt 2.3 positive Effekte im Sinne von Parameterberei- cherweiterungen für geometrische Ergodizität betrachtet. Abschließend wird ein starker Bezug zu anderen Anwendungsgebieten herausgestellt, da sich das gleiche Instrumentari- um dafür eignet und so einen Anknüpfungspunkt zu vorangegangenen Ergebnissen ergibt.
• In Kapitel 3 wird das empirische Fundament für die Nutzung von Glättungsfunktionen bereitet. So werden zunächst die Simulationsalgorithmen (3.1 - 3.3) für die unterschied- lichen Glättungsansätze erörtert und aufbauend darauf, die Parameterschätzung (3.4) in den unterschiedlichen Konstellationen des Glättens durchgeführt. Den Abschluss dieser computerunterstützten Untersuchung, bilden dann die Beurteilung der Parameterschät- zungen und die Fusion der Teilergebnisse in einer Predict-Funktion.
• Auch wenn Kapitel 4 auf den ersten Blick vielleicht den Eindruck einer Sammlung von weniger wichtigen Randbemerkungen erwecken dürfte, vervollständigt es die Arbeit in ganz zentralen Punkten. Die ausführlichen Erläuterungen (z.B. 4.3) oder grundlegende bzw. ergänzende Beispiele (z.B. 4.5) wurden nur ausgelagert, um den Lesefluss nicht zu sehr zu stören und den ersten Blick auf das Gesamtgebilde nicht unnötig zu verdecken. Rückblickend bzw. fürs tiefere Verständnis sind sie jedoch von zentraler Bedeutung, was beim ersten Lesen durch die vielen Verweise auf den Anhang auch klar werden dürfte. Ein Einblick und gleichermassen Ausblick in die veränderte Ausgangssituation eines streng stationären Innovationsprozesses, bildet den Abschluss der Arbeit.Autoregressive time series models have been applied extensively in statistics on financial mar- kets during the last decades (see e.g. McNeil and Frey [8], Basrak [2], Tsay [31]). In particular, the so-called AR(1)-ARCH(1)-model (autoregressive of order 1 with ARCH(1)-noise-term) has attracted much attention in the literature (see e.g. Borkovec and Klüppelberg [19], Cline [5], Würtz and Chalabi and Luksan [22]). In order to ensure (asymptotic) stability respectively stationarity of a corresponding stochastic process sufficient conditions on the parameters of the transition function of the time series-model are searched for.
The time series models mentioned above may be conceived as special “iterated function sys- tems” (abbreviated to IFS). Therefore the already existing theory on those IFS may be applied to the time series models under consideration.
Desirable ergodicity properties of IFS with independent, identically distributed innovations are derived under certain contraction conditions on the corresponding transition function. Some general contraction conditions on IFS are discussed here. Depending on the kind of the con- dition imposed, different convergence properties of the associated Markov chain of an IFS are proved, in particular the existence of a unique stationary distribution. Such contraction condi- tions sometimes are too restrictive with respect to a desirable transition function. An example is given by AR(1)-time series with ARCH(1)-innovations (see. e.g. BuK [19]).
In the past the transition functions of IFS were defined by one term over the whole state space of the system. Since this approach may be too restrictive, there are attempts for modifications.
In this context Herkenrath [13] proposes a modification of the AR(1)-ARCH(1)-process, which should avoid “unrealistically high” fluctuations and thereby “extreme” values. The modification is performed by “smoothing” the transition function out of a “normal” compact range. Due to a theorem of Feigin and Tweedie [32] desirable properties of the process are assured by suitable contraction- and drift conditions only outside of the normal range, whereas within that range only continuity assumptions are imposed. Those contraction- and drift conditions in turn are achieved by a composition of appropriate smoothing functions on the transition function out- side the normal range.
This approach will be extended in my thesis by studying different types of smoothing functions under theoretical and empirical aspects.
The thesis is organized as follows:
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• In Chapter 1 the necessary fundamentals are presented, in order to study properties and consequences of smoothing functions. In Sections 1.2 - 1.5 furthermore different variants of the central concept of “contraction condition” are discussed.
• On the basis of those general results in Chapter 2 various smoothing functions are studied and (minimal) sufficient conditions for the desired ergodicity properties are developed (see 2.1.1). The relations of the smoothing functions to contraction conditions and moreover to drift conditions are examined therefore ensuring geometric ergodicity. This context offers the facility to compare the different variants of smoothing functions. Thus in Sec- tion 2.3 positive effects of smoothing are presented in the sense of an extension of the range of parameters ensuring geometric ergodicity. Finally implications for other fields of applications are explained.
• In Chapter 3 the empirical basis for the application of smoothing functions is given. First the algorithms for simulation of the different smoothing variants are discussed, and based on that, the estimation of the corresponding parameters is performed. As conclusion of this empirical, computer-supported study an evaluation of the parameter-estimations is presented.
• Although at first glance Chapter 4 may look as a collection of marginal results, it comple- tes the thesis in important subjects. The detailed explanations (e.g. 4.3) or basic respec- tively additional examples (e.g. 4.5) were only transferred from the central chapters, in order not to overburden them and not to cover the central ideas there. Reviewing those central chapters and for their deeper understanding they are important, which may be obvious by the multitude of references to the appendix there. An impression and simul- taneously an outlook on the modified IFS with a strictly stationary innovation process concludes the thesis
The influence of disciplinary cultures on e-learning usage in teaching at universities of applied sciences
No full textUm Studierende besser an die Anforderungen des Berufslebens heranzuführen, wurden und werden Studiengänge im Rahmen des Bologna-Prozesses stärker auf „Learning Outcomes“ ausgerichtet. Ziel ist es, dass Studierende umfassende berufliche Handlungskompetenzen entwickeln. Diese Neuausrichtung erfordert eine Veränderung von bestehenden Lehr- und Lernkulturen mit mehr Fokus auf die Lernprozesse der Studierenden statt auf reine Vermittlung von Fachinhalten. Mediengestützte Lehre bzw. E-Learning bietet einige Potentiale, um Lernprozesse besser zu unterstützen und Studierende mehr an Lehr-Lernszenarien aktiv partizipieren zu lassen. Die entscheidende Rolle bei der Veränderung der Lehr- und Lernkulturen und der nachhaltigen Verankerung von studierendenzentrierten E-Learning-Angeboten nehmen die Lehrenden an Hochschulen ein. Die Dissertation beschäftigt sich mit der Frage, an welcher Stelle eine Lehr-Lernkulturveränderung an dem Hochschultyp Fachhochschule ansetzen kann. Erste Hinweise deuten auf die Fachdisziplin der Lehrenden als relevanten Einflussfaktor auf die Lehr-Lernkultur hin. Dazu wird im ersten Schritt eine Analyse der organisationalen Rahmenbedingungen sowie speziellen Organisationskultur an Hochschulen im Allgemeinen und an Fachhochschulen im Speziellen auf Basis bestehender Theorien und Forschungsdaten vorgenommen. Eine Befragung von Fachhochschulprofessoren zeigt, dass grundsätzlich Lernprozesse und Bedürfnisse von Studierenden in der Lehre an Fachhochschulen berücksichtigt werden. Es existieren aber bisher wenig E-Learning-Angebote mit einer aktiven Beteiligung von Studierenden. Größtenteils bestehen E-Learning-Angebote in Form von Dateidistribution. Mittels des Fachkulturmodells von Becher wird der Frage nach dem Einfluss fachdisziplinärer Wissensstrukturen, Erkenntnismethoden und Sozialformen auf die mediengestützte Lehrpraxis in der weiteren Analyse der Befragung nachgegangen. Es zeigt sich, dass in den sogenannten weichen Wissenschaften wie Sozial- und Geisteswissenschaften eine ausgeprägte Studierendenzentrierung vorherrscht, die sich ebenfalls in E-Learning-Angeboten mit aktiver Beteiligung von Studierenden zeigt. In den sogenannten harten Wissenschaften wie Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften hingegen ist eine Konzentration auf Fachinhalte und E-Learning-Angebote mit eher passiver Rolle der Studierenden vorwiegend vorhanden. Als stärkster Einflussfaktor auf die Studierendenzentrierung bzw. die Konzentration auf Fachinhalte erweist sich allerdings das Lehrveranstaltungsformat, wenn man nur den Präsenzanteil von Lehrveranstaltungen betrachtet. In Seminaren liegt der Fokus stärker auf der Studierendenzentrierung während in Vorlesungen, Übungen und Praktika die Vermittlung von Fachinhalten vorherrscht. Für den mediengestützten Anteil von Lehrveranstaltungen bleibt allerdings die Fachdisziplin der stärkste Einflussfaktor. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Veränderungsmaßnahmen zur Etablierung studierendenzentrierter E-Learning-Angebote an den fachdisziplinär geprägten Denk- und Handlungsweisen der Fachhochschulprofessoren ansetzen müssen, um erfolgreich zu sein.To better introduce higher education students to the demands of their forthcoming professional career studieprograms were and are transformed to concentrate on "learning outcomes" as part of the Bologna process. The objective is that students develop comprehensive professional action competence. This new objective requires a change of existing teaching and learning cultures with more focus on the learning processes of students rather than on just presenting information and transmitting knowledge. Media-supported teaching or in other terms e-learning offers some potential to support learning processes better and to let students participate more actively in teaching and learning scenarios. The key role in changing the teaching and learning cultures and establishing sustainable student focused e-learning offerings is taken by the teaching staff in higher education. The thesis deals with the question where to start changing the culture of teaching and learning in German universities of applied sciences, the "Fachhochschulen". First indications point to the discipline of the teaching staff as a relevant factor influencing the culture of teaching and learning. The first step consists in an analysis of the organizational fundamentals as well as the special organizational culture in higher education in general and at the universities of applied sciences in particular based on existing theories and research data. A survey of professors at a university of applied sciences shows that, in principle learning processes and students needs are taken into account in teaching at universities of applied sciences. However, there are only a few e-learning offerings including an active participation of students. Most e-learning offerings contain only file distribution. Using the disciplinary culture model of Becher the influence of disciplinary knowledge forms, methods of acquiring knowledge and social forms on media-supported teaching practice is investigated in the further analysis of the survey. In the so-called soft sciences such as social sciences and humanities student focused teaching is predominant which also shows up in e-learning offerings including active participation of students. In the so-called hard sciences such as natural sciences, engineering and economics, however, teaching is characterized mainly by a focus on subject content and e-learning offerings which imply a more passive role of students. In search of the strongest influencing factor on media-supported teaching practice the results show that considering only the non e-learning part of student focused teaching respectively content focused teaching the lecture format proves to be the strongest factor. In seminars student focused teaching reaches quite high values while in lectures, exercises and practical training the focus is more on transmitting knowledge and presenting information. Concerning only the e-learning part of courses the discipline remains of the strongest influencing factor. The results suggest that measures to establish student focused e-learning offerings should be oriented on the disciplinary shaped thinking and behavior of professors at universities of applied sciences to be successful
Zusammenwirken des Prokarzinogens Benzo[a]pyren mit pflanzlichen Flavonoiden auf karzinogenese-relevante Prozesse in Kolon-Adenokarzinoma-Zelllinie Caco-2
No full textIn dieser Arbeit sollte die Fähigkeit verschiedener pflanzlicher Flavonoide zur Prävention von Darmkrebs nachgewiesen werden. Als Testsystem wurden daher humane Kolon-Andenokarzinoma-Zellen (Caco-2), als schädigendes Agenz das bekannte Prokarzinogen Benzo[a]pyren, sowie die Flavonoide Galangin, Quercetin, Myricetin und Kaempferol, verwendet.
Da Flavonoiden eine Vielzahl antikarzinogener Eigenschaften zugewiesen werden, wie Hemmung von Phase I-Enzymen, Induktion von Phase II-Enzymen, Induktion der Apoptose, Hemmung der Zellproliferation, antioxidative Wirkung und Modulation des Immunsystems (Watzl & Rechkemmer 2001, Theodoratou et al. 2007, Flis et al. 2012), wurden in dieser Arbeit Effekte von Flavonoiden auf verschiedene Karzinogenese-relevante Prozesse wie DNA-Schädigung, Apoptose, Zellzyklus und damit zusammenhängende Signalwege (AhR, MAPK, Nrf2 und AKT) in Kolon-Adenokarzinoma-Zellen untersucht. Auch die Ausbildung reaktiver Metabolite ist von entscheidender Bedeutung, da Benzo[a]pyrene (BaP) durch die Metabolisierung über Monooxygenasen (Cytochrom P450 (CYP) Enzyme) und Hydrolasen zu dem reaktiven Benzo[a]pyren-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid umgewandelt wird. Diese Metabolisierung wird von Benzo[a]pyren selbst initiiert, da es über den Arylhydro¬karbon-Rezeptor-(AhR)-Signalweg das relevante, Cytochrom P450 Enzym, CYP1A1 induziert. Auch Flavonoide sind Agonisten des Arylhydrokarbon-Rezeptor-(AhR)-Signalweges, welcher eine tragende Rolle in der Regulation des Fremdstoff¬metabolismus im Darm hat.
Nicht nur die generellen Effekte der Flavonoide selbst auf diese Prozesse sondern auch die des Prokarzinogens Benzo[a]pyren (BaP) wurden zunächst untersucht. Die präventiv wirkenden Effekte der Flavonoide wurden auch in Kombination mit dem Prokarzinogen analysiert. Für BaP wurde die Induktion von DNA-Schäden direkt und zudem über die Aktivierung eines spezifischen DNA-Schaden-Markers (H2Ax) nachgewiesen. Flavonoide erzeugten generell keine DNA-Schäden in den Kolon-Andenokarzinoma-Zellen, konnten aber die BaP-induzierten DNA-Schäden ver¬hindern. Allerdings zeigten die Flavonoide Quercetin und Myricetin zumindest auf die Aktivierung des DNA-Schaden-Markers (H2Ax) einen induzierenden Effekt.
Apoptose wurde in den Kolon-Adenokarzinom-Zellen nur durch Benzo[a]pyren nicht aber durch die Flavonoide induziert. Dies konnte durch verschiedene Apoptose-Parameter bestätigt werden, wie die Caspase-3-Aktivität, das pro-apoptotische Protein Bax und das anti-apoptotische Protein Bcl-2. Flavonoide wirkten auch der Benzo[a]pyren-induzierten Apoptose entgegen.
Für den Nachweis der Effekte auf den Zellzyklus wurde dieser direkt und anhand verschiedener Komponenten der Zellzyklus-Kontrolle, wie p21, p27, NFB, und die Phosphorylierung des Retinoblastoma-Proteins (pRb) untersucht. Generell hatten Benzo[a]pyren und Flavonoide keinen Effekt auf den Zellzyklus und dessen regulierende Komponenten, mit Ausnahme der Phosphorylierung des Retino-blastoma-Proteins. Dies konnte sowohl durch Benzo[a]pyren, als auch durch Quercetin signifikant induziert werden. Alle Flavonoide blockierten aber effizient die Benzo[a]pyren-abhängige pRb-Phosphorylierung.
Benzo[a]pyren und Flavonoide hatten Einfluss auf die Signalwege MAPK, Nrf2 und AKT, die Wirkungen waren aber weitestgehend nicht signifikant. Auf den Arylhydrokarbon-Rezeptor-Signalweg konnte ein deutlicher Einfluss von Benzo[a]pyren und Flavonoiden in den Kolon-Adenokarzinom-Zellen festgestellt werden. BaP und Quercetin steigerten signifikant den Level von CYP1A1-mRNA und -Protein, aber auch Galangin und Myricetin übten hierauf einen leicht induzierenden Effekt aus. Die mRNA-Level der Komponenten des AhR-Komplexes (AhR, AhRR und AIP) wurden weder durch Benzo[a]pyren noch durch die Flavonoide beeinflusst, lediglich Myricetin hatte auf das mRNA-Niveau der Komponenten AhR und AhR-Repressor einen signifikant inhibierenden Effekt. Zudem konnten Benzo[a]pyren sowie Flavonoide die CYP1A1-Aktivität in den Kolon-Adenokarzinoma-Zellen deutlich steigern. Jedoch wirkten die Flavonoide auch den Benzo[a]pyren-mediierten Effekten auf den Arylhydrokarbon-Rezeptor-Signalweg inklusive der CYP1A1-induktion entgegen. Flavonoide nahmen durch Enzymhemmung auch direkten Einfluss auf die CYP1A1-Aktivität. Detailliertere Untersuchungen zur CYP1A1-Hemmwirkung der Flavonoide mit Lebermikrosomen zeigten, dass ihr Inhibitionspotential mit steigender Zahl an Hydroxylgruppen im B-Ring abnahm, während ihr Radikalfängerpotential zunahm.
Durch den Einsatz eine Arylhydrokarbon-Rezeptor Inhibitors konnte die Abhängigkeit der Flavonoidwirkung auf die einzelnen Karzinogenese-relevanten Prozesse nachgewiesen werden. Hieraus lässt sich generell schließen, dass die Benzo[a]pyren-mediierten Effekte und die präventive Wirkung der Flavonoide auf der Beeinflussung des Arylhydrokarbon-Rezeptor-Weges und im Speziellen des Enzyms CYP1A1 basierten.
Die Schlussfolgerung aus allen Ergebnissen ist, dass Flavonoide in Kolon-Adenokarzinom-Zellen einen signifikanten Präventions-Effekt auf BaP-induzierte Karzinogenese-relevante Prozesse besitzen.In this thesis, possible preventive effects of several plant flavonoids on processes with relevance for colon-carcinogesis were investigated. As model system colon-adeno¬carcinoma-cells, the procarcinogen benzo[a]¬pyrene (BaP) as damaging substance and the flavonoids galangin, quercetin, myricetin and kaempferol were used for the experiments.
A multitude of anti-cancer characteristics are assigned to flavonoids, like inhibition of phase I enzymes, induction of phase II enzymes, induction of apoptosis, inhibition of cell proliferation, antioxidative effects or modulation of the immunesystem (Flis et al. 2012, Theodoratou et al. 2007, Watzl & Rechkemmer 2001). Therefore, effects of flavonoids on multiple carcinogenesis relevant processes such as DNA-damage, apoptosis, cell cycle and related signal pathways (AhR, MAPK, Nrf2 and AKT) were investigated in colon-adenocarcinoma-cells. Additionally, the formation of reactive metabolites plays an important role, because benzo[a]pyrene gets metabolised via cytochrome P450 monooxygenase enzymes and hydrolases to reactive benzo[a]pyrene-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxide, which causes DNA-adduct formation. As an agonist of the arylhydrocabon-receptor, benzo[a]pyrene itself initiates its own metabolism by induction of the metabolising cytochrome P450 enzyme CYP1A1. Flavonoids are also agonists of the arylhydrocarbon-receptor-pathway which plays an important role in the regulation of colon xenobiotic metabolism.
Besides the basic effects of flavonoids and benzo[a]pyrene on carcinogenesis relevant processes, the preventive effects of flavonoids were studied in combination experiments with benzo[a]pyrene.
Benzo[a]pyrene was proven to induce DNA-damage as shown directly by a Comet-assay and via induction of a specific DNA-damage marker (H2Ax). Flavonoids did not cause DNA-damage in colon-adenocarcinoma-cells at all and counteracted the benzo[a]pyrene-mediated effects. Nevertheless, the flavonoids quercetin and myricetin were able to induce the specific DNA-damage marker (H2Ax) on their own.
Apoptosis was only affected by benzo[a]pyrene and not by flavonoids, whereas all flavonoids blocked the benzo[a]pyrene-induced effects. This was shown by the determination of multiple apoptosis-related control parameters like caspase-3-activity, pro-apoptotic protein bax and anti-apoptotic protein bcl-2.
For detection of effects on the cell-cycle, several cell cycle-controlling proteins like p21, p27, NFB and phosphorylated retinoblastoma-protein (pRb) were studied and, additionally, direct cell-cycle-analysis was done. In general, benzo[a]pyrene and flavonoids exhibited no effects on cell cycle or cell cycle-associated proteins in colon-adenocarcinoma-cells. But phosphorylation of retinoblastoma-protein (pRb) was induced by benzo[a]pyrene and quercetin significantly. Nevertheless, all flavonoids inhibited benzo[a]pyrene-mediated pRb-phosphorylation.
Benzo[a]pyrene and flavnoids were able to affect related signal pathways like MAPK, Nrf2 and AKT, but these effects were not significant in most cases. However, the arylhydrocarbon-receptor-pathway was significantly influenced by benzo[a]pyrene and flavonoids in colon-adenocarcinoma-cells. Benzo[a]pyrene and quercetin caused a strong increase on CYP1A1-mRNA- and protein-level, whereas myricetin and galangin had only a slight inducing effect.
The mRNA-level of components of the arylhydrocarbon-receptor-complex were neither influenced by benzo[a]pyrene nor by flavonoids, except for myricetin which caused a significant decrease of AhR and AhR-repressor mRNA-level. Additionally, benzo[a]pyrene and flavonoids strongly increased CYP1A1-activity in colon-adenocarcinoma-cells. Nevertheless, all flavonoids counteracted benzo[a]pyrene-induced CYP1A1-activity. Furthermore, flavonoids directly affected CYP1A1-activity via enzyme-inhibition. More detailled investigations on CYP1A1-inhibition by flavonoids were done using liver microsomes. These experiments had shown, that the inhibition potential of flavonoids decreases with an increasing number of B-ring hydroxyl-groups, while the ability of radical-scavinging decreased in this case.
By using an arylhydrocarbon-receptor-inhibitor the AhR-dependency of BaP- and flavonoid-mediated effects on several carcinogenesis-relevant processes was proven. This means that the preventive action of flavonoids and the benzo[a]pyrene-mediated effects are generally dependent on the arylhydrocarbon-receptor-pathway and particularly on the metabolizing enzyme CYP1A1. A final conclusion derived from all experimental data is that flavonoids significantly interfere with BaP-mediated carcinogenesis-relevant processes, i.e. chemically induced carcinogenesis, and therefore appear potentially suitable (effective) for prevention of colon-adenocarcinoma development
Beiträge von NHEJ und HRR in der Verarbeitung von DNA Doppelstrangbrüchen und Chromosomenbrüchen während des gesamten Zellzykluses
No full textDNA double strand breaks (DSBs) are the most deleterious lesions induced by ionizing radiation (IR), which if unrepaired or misrepaired can cause chromosomal aberrations and lead to genomic instability or cell death. In higher eukaryotic cells the two main repair pathways DNA-PK dependent non-homologous end joining (D-NHEJ) and homologous recombination repair (HRR) are responsible for the repair of DSBs. An alternative pathway of NHEJ termed B-NHEJ operates as a backup, when D-NHEJ is compromised.
In this work we want to elucidate the contributions and the interplay of the three repair pathways HRR, D-NHEJ and B-NHEJ in the processing of DNA DSBs and chromosomal breaks throughout the whole cell cycle and in G2-phase cells in particular. Additionally we want to investigate if a dose depended switch for the repair pathway choice exists.
Recent findings of our group show that RAD51 foci saturate after exposure to higher doses and that the repair of IR induced chromosomal breaks at small doses (0.5 - 2 Gy) is almost completely inhibited in HRR mutants. Nevertheless, normal repair of DNA DSBs is revealed in HRR mutants obtained by PFGE after high doses.
In order to further investigate this observation, we performed PFGE and G2-PCC experiments using a broad, overlapping dose-spectrum, analyzing repair outcomes after DNA damage induction at lower doses than typical for PFGE, and at higher doses than typical for G2-PCC. Our G2-PCC results show that the impaired repair of chromosomal breaks in HRR deficient cells at low doses recovers after exposure to 5 Gy of IR. This result gives additional evidence that at low doses HRR is the dominant pathway. Additionally the inhibition of PARP-1, an important component of B-NHEJ, results in a decrease in the repair of G2-PCC breaks, showing the involvement of B-NHEJ in the repair of lesions induced at high doses in HRR deficient cells.
It has been widely shown that B-NHEJ is responsible for the formation of chromosomal translocations (CTs) and chromosomal exchanges (CEs). We observed a strong increase in the frequency of CE formation at 5 Gy compared to the frequency of CEs in cells irradiated with 1 Gy that further strengthens the involvement of B-NHEJ in the repair of G2-PCC breaks in HRR deficient cells at 5 Gy.
In order to further investigate the involvement of B-NHEJ in DSB repair we analyzed CE formation after inhibiting B-NHEJ with PARP inhibitors in D-NHEJ deficient cells. In addition to our results showing that B-NHEJ is involved in the repair of DNA damage in HRR deficient cells resulting in high frequency of CEs formation, we show that wild type and D-NHEJ deficient cells have a lower frequency of CEs compared to HRR deficient cells. These experiments help us to elucidate potential interactions and/or mutual regulations between B-NHEJ and D-NHEJ.
Collectively, these results allow us to suggest that in the G2- phase of the cell cycle B-NHEJ backups HRR as efficiently as D-NHEJ. Furthermore we revealed the important role of PARP-1 in the formation of CEs in G2-phase at clinically relevant doses i.e. 1 or 2 Gy.Die durch ionisierende Strahlung induzierten DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) sind die schädlichsten Schäden an der DNA welche, wenn sie nicht oder falsch repariert werden, chromosomale Aberrationen verursachen und auch zur genomischen Instabilität und zum Zelltod führen können. Die beiden Hauptreparaturwege in höheren eukaryotischen Zellen die für die Reparatur von DSB verantwortlich sind, heißen DNA-PK-abhängige nicht-homologe Endverknüfung (D-NHEJ) und homologe Rekombinationsreparatur (HRR). Zusätzlich gibt es einen alternativen Reparaturweg der aktiv ist, wenn D-NHEJ nicht in der Lage ist zu agieren, aus diesem Grund wird er auch als Backup-Reparaturweg (B-NHEJ) bezeichnet.
In dieser Doktorarbeit wollen wir erforschen, wie viel die drei Reparaturwege HRR, D-NHEJ und B-NHEJ zu der Reparatur von DNA DSB und Chromosomenbrüchen während des gesamten Zellzykluses und besonders in den G2-Phase-Zellen beitragen. Außerdem wollen wir versuchen etwas über ein mögliches Zusammenspiel zwischen den drei Reparaturwegen herauszufinden und ob die Wahl der Zelle über die Reparaturwege abhängig ist von der Dosis.
Neuere Erkenntnisse aus unserer Arbeitsgruppe zeigen, dass sich die Rad51 Fokusse nach einer Exposition mit höheren Dosen sättigen. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass in HRR Mutanten die Reparatur von durch ionisierende Strahlung induziert Chromosomenbrüchen, bei kleinen Dosen (0,5 bis 2 Gy), fast völlig gehemmt ist. Dennoch wurde durch PFGE gezeigt, dass HRR Mutanten eine normale Reparatur von DNA DSB nach hohen Dosen aufweisen.
Damit diese Beobachtungen weiter untersucht werden, führten wir PFGE und G2-PCC-Experimente mit einem breiten überlappenden Dosis Spektrum durch, damit wir die Reparatur von DNA-Schäden nach niedrigen Dosen in PFGE und nach hohen Dosen in G2-PCC analysieren können. Unsere G2-PCC Ergebnisse zeigen, dass die beeinträchtigte Reparatur von Chromosomenbrüchen in HRR defizienten Zellen, nach einer Bestrahlung mit niedrigen Dosen, zurückgewonnen werden kann, indem die Zellen mit 5 Gy bestrahlt werden. Dieses Ergebnis liefert einen zusätzlichen Beweis dafür, dass HRR bei niedrigen Dosen der dominierende Reparaturweg ist. Zusätzlich wird gezeigt, dass die Inhibierung von PARP-1, einem wichtigen Bestandteil von B-NHEJ, zu einer Abnahme in der Reparatur von G2-PCC Brüchen führt, dies zeigt die Beteiligung von B-NHEJ an der Reparatur von G2-PCC Brüchen in HRR defizienten Zellen nach höheren Dosen.
Des Weiteren wurde gezeigt, dass B-NHEJ für die Bildung von chromosomalen Translokationen (CT) und Chromsomalen Austausch (CE) verantwortlich ist. Im Vergleich zur Frequenz der CE Bildung in HRR Mutanten, die mit 1 Gy bestrahlt wurden, haben wir einen starken Anstieg in der Häufigkeit der CE-Bildung bei einer Bestrahlung von 5 Gy beobachtet, auch dies bestärkt, dass B-NHEJ an der Reparatur von G2-PCC Brüchen in HRR defizienten Zellen nach einer Bestrahlung mit höheren Dosen beteiligt ist.
Um die Beteiligung von B-NHEJ in der DSB-Reparatur weiter zu untersuchen, haben wir die Bildung von CE und CT, nach der Inhibierung von B-NHEJ, in D-NHEJ -defizienten Zellen analysiert. Zusätzlich zu unseren Ergebnissen die zeigen, dass B-NHEJ an der Reparatur von G2-PCC Brüchen in HRR defizienten Zellen beteiligt ist, zeigen wir, dass Wildtyp und D-NHEJ-defiziente Zellen im Vergleich zu HRR defizienten Zellen weniger CEs aufweisen. Wir versuchen mit diesen Experimenten potenzielle Wechselwirkungen und/ oder gegenseitigen Regulierung zwischen B-NHEJ und D-NHEJ aufzuklären.
Wir konnten vorzeigen, dass in der G2-Phase des Zellzykluses B-NHEJ bevorzugt der Backup für HRR als für D- NHEJ ist. Außerdem konnten wir zeigen, dass PARP-1 eine wichtige Rolle bei der Bildung von CE und CT in der G2-Phase spielt, nach Anwendung von klinisch relevanten Dosen, z.B. 1 oder 2 Gy