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Stochastic Mortality Modelling and Management of Longevity Risk with Pricing and Reserving Applications to Annuity Products
No full textOver the past decades, the life insurance sector has been faced with a number of challenges that emerged as a result of the growing longevity and stagnating birth rates for highly developed societies. In the field of actuarial application one could therefore ask for the implications of (long-term) mortality trends and (short-term) population fluctuation on an insurer's pricing and reserving of pension contracts, particularly in interaction with uncertainty in the capital markets. The first part of the thesis focuses on the mathematical description and projection of the mortality of homogeneous populations or insurance cohorts. Besides a survey of the most important representatives, a comprehensive analysis and comparison of stochastic and deterministic mortality forecasting models is carried out. In the second part a full stochastic model approach for two typical old-age provision products is set up and applied in terms of a management of longevity risk. On the one hand, a deferred conventional life annuity is analysed with regard to the combined effects of stochastic mortality and interest rates on different premium principles and risk capital allocation. On the other hand, a modern unit-linked annuity insurance, namely a deferred variable annuity contract, with an additional guaranteed minimum death benefit during the deferment period and a minimum income benefit at retirement is discussed. Mathematically, the guarantees represent options on the greater of the net asset value and a predetermined insurance benefit. For this reason, the existence and uniqueness of an extra fair percentage guarantee charge is proven. Furthermore, a sensitivity analysis of the fair charge and risk neutral option prices concerning different model parameters is considered and several profitability and risk measures are determined
Experimental and numeric analysis of uni-axially and multi-axially loaded elastomer bushings with special consideration of the influence of different load sequences
No full textAufgrund ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften werden Elastomerbauteile in vielen technischen Anwendungen zur Lösung schwingungstechnischer Aufgabenstellungen eingesetzt. Gummi-Metall-Verbund-Bauteile werden nicht nur als dämpfende Aggregatelager für Maschinenteile verwendet, sie dienen auch als Verbindungselemente in Kupplungen. Die auf sie einwirkenden dynamischen Belastungen beeinflussen die Dauer ihres Einsatzes bis zu ihrem Ausfall maßgeblich.
Die vorliegende Arbeit liefert neue Erkenntnisse zur Beschreibung des Bauteilzustandes dynamisch belasteter Elastomerbuchsen durch Bewertung von mithilfe des Hysterese-Messverfahrens ermittelten Kennwertverläufen und zum Einfluss unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen auf den Schädigungsverlauf.
Im Rahmen der vorgestellten experimentellen Untersuchungen werden zylindrische Elastomerbuchsen in unterschiedlichen Versuchsführungen harmonisch wechselnd axial, radial und auf Torsion belastet. Die Auswertung der einstufigen und mehrstufigen Einachsversuche erfolgt durch Bewertung der Verläufe der eigenschaftsbeschreibenden Kennwerte dynamische Steifigkeit Cdyn_n und Dämpfungsarbeit AD_n. Diese werden durch die Anwendung des Hysterese-Messver¬fahrens aus den jeweils gemessenen Belastungen und Verformungen berechnet. Aus den vorliegenden Versuchsergebnissen wird abgeleitet, dass der Bauteilzustand anhand der Dämpfungsarbeit deutlich präziser beschrieben werden kann als anhand der dynamischen Steifigkeit. Nach der Definition des Ausfallkriteriums Änderung des Wertes der normierten Dämpfungsarbeit um 20 % werden die Gebrauchsdauern sämtlicher Versuche auf dieser Basis ermittelt und diskutiert. Im Rahmen der zweiachsigen Bauteilprüfung werden Elastomerbuchsen sowohl mit überlagerter Radial- und Torsionsbelastung als auch mit überlagerter Radial- und Axialbelastung phasengleich beaufschlagt. Durch die überlagerten Belastungen werden gegenüber den Einachsversuchen mit gleichen Belastungsstufen deutlich reduzierte Gebrauchsdauern festgestellt.
Der Einfluss unterschiedlicher Belastungsreihenfolgen auf den Schädigungsverlauf wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals an belastungsgeführten Axialversuchen untersucht und nachgewiesen. Dazu werden unterschiedliche Versuchsvarianten definiert, die sich durch die Reihenfolge der aufgebrachten Belastungsstufen, durch Sonderereignisse mit mehrfach überhöhten Belastungsamplituden und durch wiederkehrende Belastungspausen unterscheiden.
Für alle zuvor experimentell untersuchten Belastungsfälle werden die in den belasteten Elastomerbuchsen auftretenden Deformationen und Beanspruchungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode berechnet. Die Vergleiche mit Schadensbildern von zuvor experimentell belasteten Buchsen zeigen für alle Belastungsfälle, dass die innerhalb der Elastomerspuren mithilfe der FEM lokalisierten Bereiche höchster Spannungen und Dehnungen den Bereichen entsprechen, von welchen im Experiment eine erkennbare Rissbildung ausgeht. Die Berechnungsergebnisse werden durch die Vergleiche mit den experimentell ermittelten Verschiebungen und Schadensbildern qualitativ bestätigt und abgesichert.
Die in dieser Arbeit durch experimentelle Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse bezüglich der vielfältigen Kennwertverläufe sowie der ebenfalls durch Versuche belegte Einfluss der Belastungsreihenfolge auf den Schadensverlauf verlangen nach einer nicht linearen Schadensakkumulationrechnung. Es wird untersucht, welche der mithilfe der FEM berechneten Beanspruchungsgrößen in diesem Rahmen einzusetzen ist.Due to their special mechanical properties, elastomeric parts are used in many technical applications to solve vibration control problems. Furthermore, rubber-metal component parts are used not only as damping mounts for machine parts, they also serve as transmission elements in couplings. The dynamic loads acting on them affect the life cycle period until their failure significantly.
The present work provides new insights into the description of the condition of dynamically loaded elastomer bushings by using the evaluation of characteristic values found on the basis of the hysteresis measuring method. The study also shows the influence of different load sequences on the damage process.
In different tests, harmonically alternating radial, axial and torsional loads are applied on cylindrical elastomer bushings. These one-stage and multi-stage uniaxial tests are evaluated by describing the development of the characteristic values dynamic stiffness Cdyn_n and damping work AD_n. These are obtained by using the hysteresis measuring method on the measured loads and deformations. The presented experimental results lead to the conclusion that the component state can be described much more precisely on the basis of the damping work than on the basis of the dynamic stiffness. After definition of the failure criterion ‘change in the value of the standardized damping work by 20 %’, the life cycle periods of all the tests are calculated and discussed on this basis. Using experimental setups specially developed for biaxial tests, elastomer bushings are subjected to different loads both with superimposed radial and torsional load and with superimposed radial and axial load. The simultaneous loads are in both cases in phase. As a result of the superimposed loads, significantly reduced life cycle periods are observed compared to the uniaxial tests with the same load levels.
The influence of different load sequences on the damage process and thus on the characteristic curves is examined and proven in this study for the first time on load controlled axial component tests. For this purpose, different test sequences are defined. They differ in the order of the applied load levels, regularly occurring load peaks and hourly recurring load breaks.
For all examined loading cases, the deformations and strains occurring in the loaded elastomer bushings are calculated using the finite element method. Comparisons with damage patterns of experimentally loaded bushings show for all loading cases that the areas of maximum stress and strain localized within the elastomer using FEM correspond to the areas from which a recognizable cracking starts during the experiment. The calculation results are qualitatively confirmed by the comparison with the experimentally detected displacements and damage patterns.
The conclusions found in this study concerning the varied characteristic curves and the influence of the load sequences on the damage process demand a non-linear cumulative damage calculation. It is discussed which of the FEM-calculated values should be used in this context
Modeling and simulation of arterial walls with focus on damage and residual stresses
No full textDie vorliegende Arbeit behandelt die kontinuumsmechanische Modellierung von Arterienwänden. Ein Schwerpunkt liegt in der Konstruktion von anisotropen Schädigungsmodellen zur Beschreibung
von Schädigungseffekten in Arterienwänden, wie sie bei therapeutischen Maßnahmen auftreten. Solche Schädigungseffekte gelten als einer der wesentlichen Faktoren für eine erfolgreiche Behandlung von atherosklerotisch degenerierten Arterien mittels Ballonangioplastie. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Erarbeitung eines numerischen Modells zur Berücksichtigung von Eigenspannungen in Arterienwänden.
Eigenspannungen beeinflussen die Spannungsverteilung in Umfangsrichtung derart, dass sie zu einer Verringerung der Spannungsgradienten in der Arterienwand beitragen. Hierauf aufbauend wird ein neuer Ansatz zur Implementierung von Eigenspannungen vorgeschlagen. Alle Modelle werden an experimentelle Daten angepasst und auf die numerische Simulation von patientenspezifischen Arterienwänden angewendet. Die Quasi-Inkompressibilität des Materials wird zum einen durch die Verwendung einer Penalty-Methode und zum anderen über einen Augmented-Lagrange Ansatz erfüllt. Beide Methoden werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Robustheit numerischer Simulationen untersucht.The present work deals with the continuum-mechanical modeling and analysis of arterial walls. One focus is on the construction of anisotropic damage models that are able to reflect damage effects in arterial tissues under therapeutic loading. Damage effects are assumed to be a main contributor to the success of a balloon angioplasty, which is a method of treatment of atherosclerotic arteries. Another main focus is on the elaboration of a numerical model for the incorporation of residual stresses in arterial walls. Residual stresses influence the circumferential stress distribution in such a way that they prevent large stress gradients in the arterial wall. Thus, a novel approach for the implementation of residual stresses is proposed. All models are adjusted to experimental data and applied to numerical simulations of patient-specific arterial walls. The quasi-incompressibility constraint is ensured by using the Penalty-Method and the Augmented-Lagrange-Method, which are analyzed with respect to their computational robustness
Assoziation von hygienisch relevanten Mikroorganismen mit Süßwasserplankton
No full textoai:duepublico.uni-duisburg-essen.de:30301In aqueous environments bacteria can occur planktonically in the water phase, or associated in biofilms attached to solid surfaces or other phase boundaries. Plankton organisms in surface waters provide external surfaces which can be colonized by biofilms. Plankton surface can comprise areas up to thousands of km2 in a lake. Possible associations of potentially pathogenic bacteria with phyto- and zooplankton were observed in a field study in a freshwater environment (Lake Baldeney, Essen, Germany) and in laboratory experiments.
Hygienically relevant microorganisms considered were, bacteria with faecal origin (Escherichia coli, coliforms, intestinal enterococci, Clostridium perfringens), an obligate human pathogen of faecal origin (Campylobacter spp.), and environmental opportunistic bacteria (some coliforms, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas spp., Legionella spp.). For all of the investigated hygienically relevant bacteria an association with freshwater plankton could clearly be demonstrated, except for Campylobacter spp. which was only found in water and Legionella spp. which was not detected by culture. The bacterial abundance in all samples was found to be higher with plankton than compared to the free water. With the culture-independent methods, fluorescence in situ hybridization (FISH) and quantitative polymerase chain reaction (qPCR), the organisms P. aeruginosa and Legionella spp. were found in significant higher concentrations in water and plankton than with cultural methods. This observation indicates that both may occur in a viable but nonculturable (VBNC) state.
In laboratory experiments hygienically relevant bacteria were co-cultivated with Daphnia magna in microcosms. To study cladoceran-bacteria associations in detail, it was discriminated between carapace-associated and ingested bacteria.
The organisms P. aeruginosa and A. hydrophila were found more frequently located on the carapace of D. magna, whereas most of E. faecalis was located in the gut. FISH analysis indicated the possibility of VBNC cells for these organisms in association with D. magna.
The field study as well as laboratory microcosms indicate that there are associations and accumulations of pathogenic bacteria, with different characteristics and origins, with plankton. Plankton can act as a reservoir and a vector for potentially pathogens and may spatially enhance bacterial concentrations up to infectious doses. In case of VBNC bacteria, it is possible that the VBNC cells resuscitate and regain their virulence. Plankton-pathogen associations are of relevance considering human health in drinking water production and recreational use of the surface water
Performance Improvement Through Benchmarking for Small and Medium Manufacturers (SMM)
No full textDie wichtigsten Kostenfaktoren innerhalb einer Lieferkette lassen sich drei Kategorien zuordnen: Produktions-, Transport-und Lagerkosten. Die Strukturen dieser operativen Kosten im Hinblick auf die Gesamtkosten variieren stark je nach Industriesektor. Produktionskosten stellen dennoch die höchste Kostenart in fast allen Branchen dar, weniger bedeutend folgen danach jeweils die Transport- und Lagerkosten. Die Optimierung einer dieser Kategorien ohne Rücksicht auf die anderen kann zur Erhöhung der Gesamtkosten sowie der allgemeinen Leistungsfähigkeit führen.
Diese Dissertation befasst sich mit dem „production distribution problem“ wobei synchronisierte Strategien entwickelt werden können, um die Leistung der Supply Chain zu verbessern und gleichzeitig die Gesamtkosten zu minimieren. Dazu wurde eine Fallstudie aus der Realität untersucht, nämlich das Praxisbeispiel eines Herstellers von Waschmitteln.
Zwei Hauptszenarien werden bewertet. Das erste Szenario ist der konventionelle Plan, wobei die Hersteller dominieren. Dies bedeutet, dass der Hersteller findet seinen eigenen optimalen Job-Scheduling-Plan, während die Distribution versucht mit Hilfe dessen ihren optimalen Plan zu finden. Dadurch erhöhen sich die Distributionskosten. Das zweite Szenario betrifft die Synchronisation der Produktions-, Lagerhaltungs- und Transportzeitpläne.
Ein zu diesem Zweck entwickeltes Java-Programm und die Job-Scheduling-Software Simal wurden für die Modellierung der konventionellen und integrierten Szenarien verwendet. Beide Szenarien wurden verglichen und validiert. Die Fallstudie betrachtet mehrere Produkte sowie ein schwer zu planendes flowshop- System. Die Ergebnisse zeigen, dass die Gesamtkosten, einschließlich der Einrichtungs-, Lager- und Transportkosten, minimiert werden können, wenn das synchronisierte System angewendet wird.The main cost factors within a supply chain can be put into the categories of production, transportation, and inventory costs. The composition of these operational costs relative to total costs varies largely by industry. However, production cost is the largest of all in almost all the industries, followed by transportation and inventory costs. Optimizing one of these categories without consideration of the others may increase the total cost and reduce the overall performance.
This dissertation deals with the production distribution problem of developing synchronized strategies to improve the supply chain performance and to minimize the total cost. A real case study is investigated. This real-life case study is a powder detergent plant located in Libya.
There are two main scenarios evaluated. The first scenario is the conventional plan, where the manufacturer dominates. This means the manufacturer finds his own optimum job-scheduling plan, and the distributor tries to find the optimum plan according to it. This will increase the distribution cost. The second scenario involves synchronizing the production, inventory and transportation schedules.
A Java program and SimAl (job-schedulingsoftware) were constructed for modelling conventional and integrated scenarios. The two scenarios were compared and validated. The case study considered multiple products and a flowshop system which is difficult to schedule. The results show that the total costs, including setup, inventory and transportation, can be minimized when the synchronized system is applied
Untersuchung der intrazellulären Verteilung, Zytotoxizität und Genexpressionsveränderungen spezifischer Gene
No full textPurpose: Triplex-forming-oligonucleotides (TFOs) are able to bind DNA in a sequencespecific manner and are a promising tool to manipulate genes or gene regulatory units in a cellular environment. TFOs posses also a therapeutic potential e.g. as a carrier molecule for Alpha- or Auger-electron-emitter (AEE) to target specific DNA sequences in tumor cells. A method for the effective labeling of TFOs with the AEE iodine-125 (I-125) was established and the ability of I-125-labeled TFOs to induce site-specific double-strand breaks (DSB) in DNA was investigated. Moreover analysis of the influence of I-125-labeled TFOs in transfected SCL-II cells with regard to cell survival, DNA damage and the induction of cell cycle arrest were performed. Furthermore the ability of I-125-labeled TFOs to alter gene expression of targeted genes was examined.
Methods: For that purpose two groups of TFOs were designed – TFOs specific for single targets in the genes BCL2, BRCA1 and GAPDH and multi-binding TFOs with several thousand binding sites in the whole genome. The cellular distribution and persistence of TFOs was analyzed via flow cytometry and the I-125 labeling was performed using a modified primer extension method. Cell survival was analyzed with the colony forming assay. DNA DSB were determined using the 53BP1 assay and the micronucleus assay. The analysis of cell cycle was done after 7-aminoactinomycin D (7-AAD) cell staining by flow cytometry. Gene expression alteration of targeted genes was tested via quantitative Real-Time PCR with RNA isolates from transfected SCL-II cells.
Results: A persistence of intact TFOs in a cellular environment for at least 72 h could be confirmed. For all tested I-125-labeled TFOs an increased cytotoxicity and DNA damaging potential was detected. Moreover, the degree of cytotoxicity seemed to depend on target localization as well as on target quantity. A pronounced induction of cell cycle arrest in G2/M-phase 8 h post-transfection could also be detected. The genespecific binding of I-125-labeled TFOs led to a significant down-regulation of GAPDH and an almost 2-fold up-regulation of BCL2 gene expression. The BRCA1 gene expression did not show any alteration.
Conclusions: The magnitude of an I-125-labeled TFO induced cytotoxic effect can be influenced by the total number of targets as well as by the distinct location of a single target. Therefore targeting many non-crucial targets can be as cytotoxic as targeting one single, but crucial target and vice versa. Additionally, single gene targeting can alter gene expression in a gene-specific manner.Einleitung: Triplex-forming-oligonucleotides (TFOs) sind in der Lage an die DNA sequenzspezifisch zu binden und repräsentieren daher ein vielversprechendes Werkzeug um Gene oder genregulatorische Mechanismen auf zellulärer Ebene zu manipulieren. Darüber hinaus verfügen TFOs auch über ein therapeutisches potential z.B. als Transportmolekül für Alpha- oder Auger-electron-emitter (AEE) zur gezielten Manipulation spezifischer DNA Sequenzen in Tumorzellen. Eine effiziente Methode zur Markierung von TFOs mit dem AEE Iod-125 (I-125) wurde etabliert und es konnte gezeigt werden, dass I-125-markierte TFOs in der Lage sind spezifische Doppelstrangbrüche in der DNA hervorzurufen. Darüber hinaus wurde die Wirkung I-125-markierter TFOs in transfizierten SCL-II Zellen untersucht, wobei ein besonderer Fokus auf das Zellüberleben, DNA Schäden und Veränderungen im Zellzyklus gelegt wurden. Außerdem sollte geklärt werden ob I-125-markierte TFOs in der Lage sind gezielt die Genexpression bestimmter Gene zu verändern.
Methoden: Zu diesem Zweck wurden zwei unterschiedliche TFO-Gruppen erstellt. Zum einen TFOs mit einer einzigen Zielsequenz jeweils in den Genen BCL2, BRCA1 und GAPDH und zum anderen mehrfach bindende TFOs mit mehreren tausend Bindestellen im gesamten Genom. Die zelluläre Verteilung und Stabilität von TFOs wurde mittels Duchflusszytometrie untersucht. Die Markierung der TFOs mit I-125 erfolgte anhand einer modifizierten Version der Primer-Extension-Methode. Das Zellüberleben wurde mit Hilfe des Colony Forming Assay (CFA) untersucht und DNA Schäden wurden mittels 53BP1 Assay und der Mikrokern-Analyse bestimmt. Die Untersuchung des Zellzyklus konnte nach 7-AAD Färbung mit durch-flusszytometrischen Methoden bestimmt werden. Durch die Überprüfung von RNA Isolaten aus transfizierten Zellen durch quantitative Real-Time PCR, konnten potentielle Genexpressionsänderungen nachgewiesen werden.
Ergebnisse: Es konnte nachgewiesen werden, dass intakte TFOs in zellulärer Umgebung bis zu 72 Stunden persistieren. Alle untersuchten I-125-markierten TFOs zeigten eine erhöhte Zytotoxizität und Schadensinduktion. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Grad der Zytotoxizität sowohl von der Qualität als auch von der Anzahl der TFO-Bindestellen abhängt. Ein deutlicher Einfluss auf den Zelluzyklus verlauf, mit einem G2/M-Block 8 h nach Transfektion, konnte ebenfalls nachgewiesen werden. Die genspezifische Anlagerung von I-125-markierten TFOs führte zu einer signifikanten Herunterregulation der GAPDH-expression und zu einer annähernd zweifachen Hochregulation der BCL2 Genexpression. Bei BRCA1 konnte keine Veränderung der Genexpression festgestellt werden.
Fazit: Die Stärke der von I-125-markierten TFOs induzierter Zytotoxizität kann sowohl von der gesamten Anzahl an TFO-Bindestellen als auch von der spezifischen Positionierung eines einzelnen TFOs beeinflusst werden. Daraus lässt sich folgern, dass I-125-TFOs, die nur an einer, aber essentiellen Bindestellen gebunden sind ein ähnliches zytotoxisches Potential entfalten können wie I-125-TFOs die an mehreren aber nicht-essentiellen Bindestellen gebunden sind
Determinants of HCV-specific CD8+ T cell expansion
No full textInfektionen mit dem Hepatitis C Virus (HCV) sind global ein enormes Problem. Verschiedene Studien belegen, dass während einer akuten HCV-Infektion CD8+ T Zellen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Virusinfektion spielen. Allerdings sind HCV-spezifische T Zellantworten oft schwach und dysfunktional. Die Aktivierung virusspezifischer T Zellen ist ein sensitiver, komplexer Prozess, bei dem sowohl die Sequenz des präsentierten Antigens, als auch das Umfeld in dem der primäre Kontakt zwischen antigenpräsentierender und virusspezifischer Zelle stattfindet, Einfluss auf die resultierende T Zellantwort ausübt. Daher wurden in der vorliegenden Studie Faktoren der HCV-spezifischen T Zellantwort untersucht.
Das Hepatitis C Virus zeichnet sich durch ein hohes Maß an genetischer Variabilität aus. Es werden sieben verschiedene Genotypen und multiple Subtypen unterschieden, aber selbst zwischen Varianten des gleichen Subtyps gibt es wichtige Sequenzunterschiede. Diese hohe Sequenzvariabilität ist ein entscheidendes Hindernis in der Entwicklung eines geeigneten Impfstoffs gegen HCV. Allerdings wird selbst nach spontaner Ausheilung einer Infektion eine protektive Immunantwort häufig nicht erreicht, da sich immundominante Epitope zwischen verschiedenen HCV Isolaten unterscheiden und diese Sequenzvarianten häufig nicht von CD8+ T Zellen erkannt werden.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die globale Sequenzdiversität der Genotypen 1a und 1b in einem immundominanten HLA-A*02-assoziierten CD8+ T Zell-Epitop NS31406-1415 analysiert. Dabei wurde der Einfluss der Sequenzunterschiede auf die ‚Priming‘-Kapazität von CD8+ T Zellen sowie die Induktion von kreuzreaktiven CD8+ T Zellen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich die global zirkulierenden Varianten in ihrer ‚Priming‘-Kapazität von CD8+ T Zellen unterscheiden. Diese in vitro generierten T Zellantworten unterschieden sich maßgeblich in ihrer Fähigkeit der Kreuzreaktivität. Interessanterweise stammt die Sequenzvariante mit der breitesten Kreuzreaktivität aus Isolaten, die hauptsächlich in Japan zirkulieren und somit nur selten in Europa zu finden sind. Ein Impfstoff gegen HCV sollte eine polyfunktionelle CD8+ T Zellantwort hervorrufen und ebenso kreuzreaktiv mit Sequenzvarianten des Epitops sein. In dieser Studie konnte die entscheidende Bedeutung von Sequenz-variationen in einem Antigen für die folgende CD8+ T Zellantwort gezeigt werden. Die Daten unterstreichen, wie wichtig die Auswahl der optimalen Epitopsequenz für eine Vakzine gegen HCV ist, indem eine polyfunktionelle sowie auch kreuzreaktive CD8+ T Zellantwort aktiviert wird.
Im Falle einer Infektion mit dem Hepatitis C Virus findet der erste Kontakt zwischen antigenpräsentierender und virusspezifischer Zelle in der Leber statt. Die Leber spielt eine wichtige Rolle im adaptiven Immunsystem, da hier die Präsentation von Antigenen an CD8+ T Zellen Toleranz induzieren kann, indem dysfunktionale CD8+ T Zellen induziert werden oder deren Aktivierung in der Leber zu früher Apoptose führt. Ein Kennzeichen chronischer Infektion mit hepatotropen Viren ist somit die schwache Immunantwort durch CD8+ T Zellen. Jüngere Studien an Mausmodellen konnten belegen, dass Hepatozyten ebenfalls als antigenpräsentierende Zellen fungieren und demnach möglicherweise eine Rolle in der Toleranzinduktion von CD8+ T Zellen einnehmen.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Expansion virus-spezifischer CD8+ T Zellen in der Anwesenheit von primären humanen Hepatozyten drastisch reduziert ist. Die Hemmung der virusspezifischen CD8+ T Zellexpansion war unabhängig vom antigenpräsentierenden Zelltyp und war unabhängig vom antigenspezifischen Kontakt. Die Hemmung der virusspezifischen CD8+ T Zell Expansion war allerdings aufgehoben, wenn direkter Kontakt zwischen Hepatozyten und PBMC durch den Gebrauch eines Membraneinsatzes in der Kultur verhindert wurde. Dies deutet an, dass der hemmende Effekt von Hepatozyten kontaktabhängig ist. Eine Analyse der Zellkulturüberstände erwies eine erhöhte Konzentration von TGF-β in der Anwesenheit von Hepatozyten.
In der vorliegenden Studie wurde demnach gezeigt, dass eine Hemmung der CD8+ T Zellantwort durch Hepatozyten möglicherweise zur Chronifizierung von Infektionen mit hepatotropen Viren beitragen kann.Infection with the hepatitis C virus still remains a global health problem. The antiviral immune response against HCV by CD8+ T cells plays a central role in viral containment, however, it has been highlighted in numerous studies that the CD8+ T cell responses during HCV infection are relatively weak and dysfunctional. Activation of virus-specific CD8+ T cells is a multi-step process, in which the sequence of the presented antigen, as well as the site of antigen presentation has important consequences for the quality of the CD8+ T cell response. Hence, in the present thesis, determinants of HCV-specific CD8+ T cell expansion were analyzed.
HCV is characterized by high levels of genetic variation between genotypes and subtypes but also between isolates of the same subtype. This high sequence variation in immunodominant epitopes precludes protective immunity and represents a major obstacle to vaccine design.
In this study, we analyzed the global sequence diversity of the immunodominant HLA-A*02-restricted CD8+ T cell epitope NS31406-1415 in circulating genotype 1a and 1b isolates and its impact on CD8+ T cell priming and induction of cross-reactive T cell responses. Circulating sequence variants of the NS31406-1415 epitope showed distinct priming potential and cross-reactivity patterns. Importantly, the highest degree of cross-reactivity was induced by a sequence that is rarely observed in the European population. Upon vaccination, the elicited CD8+ T cells should be polyfunctional and target multiple epitope variants. This study highlights the relevance of antigen sequence variation for subsequent CD8+ T cell responses and provides a rational for the selection of the optimal epitope sequence for a vaccine against HCV, associated with the induction of a broad cross-reactive and polyfunctional CD8+ T cell response.
A hallmark of chronic infections with hepatotropic viruses such as HCV is the notoriously weak antiviral immune response by CD8+ T cells. Primary antigen encounter in HCV infections happens in the liver. It is believed that the liver-specific environment can induce tolerance either by induction of dysfunctional CD8+ T cells or by premature death of activated CD8+ T cells. Recent reports from mouse models indicate that hepatocytes can act as antigen-presenting. Direct antigen presentation by virally infected hepatocytes thus might inhibit the CD8+ T cell response.
This study showed that the frequency of virus-specific CD8+ T cells after 10 days expansion was dramatically reduced in the presence of hepatocytes. This suppressive effect was independent of the cell-type that was used for antigen-presentation (hepatocyte or PBMC) and of antigen-specific contact. Expansion of CD8+ T cells in the presence of hepatocytes was almost completely restored in transwell experiments indicating that the suppressive effect is cell-contact dependent. Analysis of the cytokine profile from culture supernatants revealed increased concentrations of TGF-β in the presence of hepatocytes compared to their absence.
This study gives important hints for the establishment of chronic infections by hepatotropic viruses
Development of GC-MS methods for the identification and quantification of leachables from plastic packaging in dialysis solutions
No full textNiedermolekulare Bestandteile sind in Kunststoffen unvermeidbar. Unter anderem ver-bleiben Monomere, Oligomere, Katalysatoren und Lösungsmittel aus dem Produktionspro-zess im Kunststoff. Des Weiteren werden zusätzlich bewusst zum Beispiel Weichmacher, Antioxidantien, Farbstoffe und andere Hilfsstoffe zugesetzt, um bestimmte Eigenschaften des Kunststoffs zu erreichen oder zu verbessern.
Der zunehmende Einsatz von Kunststoffen als Verpackungsmaterial für feste und insbe-sondere flüssige Arzneimittel brachte die Problematik der Migration dieser niedermoleku-laren Verbindungen in das Arzneimittel hinein verstärkt in den Vordergrund. Dieser Pro-zess ist bei flüssigen Arzneimitteln aufgrund des direkten Kontakts zur Verpackung und der üblicherweise hohen Diffusivität im Wässrigen besonders problematisch. Kommt diese pharmazeutische Lösung als Infusion zum Einsatz, so gelangen die niedermolekulare Ver-bindungen, sogenannte „Leachables“, direkt ins Blut des Patienten und stellen somit ein potentielles Gesundheitsrisiko dar. Insbesondere wenn die Behandlung sich über mehrere Jahre oder gar Jahrzehnte erstreckt, sollten sehr geringe Leachable-Konzentrationen im ppb (μg/kg) oder sogar ppt (ng/kg) Bereich als oberer Grenzwert angenommen werden, um die Patientensicherheit zu garantieren. Die Europäische Arzneimittelbehörde verlangt auf Grund dieses Risikos seit 2005 detaillierte Informationen über die Identität, Quantität und toxikologische Eigenschaften aller Leachables, die in einer pharmazeutischen Lösung detektiert werden.
Für Patienten mit Nierenversagen ist die Dialyse mit üblicherweise drei Behandlungen pro Woche ein Leben lang die einzig vorhandene Nierenersatztherapie neben der Transplanta-tion. Abhängig von der jeweiligen Behandlungsart kommen hier bei in Kunststoffbeuteln abgefüllte Dialyselösungen zum Einsatz. Bei Änderungen von Rohmaterialien die zur Pro-duktion dieser Verpackungen eingesetzt werden und insbesondere bei der Neuentwick-lung von Verpackungsmaterialien müssen im ersten Schritt Extraktionsstudien unter ver-schärften Bedingungen durchgeführt werden. Durch die Wahl extremerer Bedingungen als üblich soll eine verstärkte Migration aus der Verpackung in die Testlösung provoziert wer-den. Die dabei erreichten hohen Konzentrationen im ppm (mg/kg) Bereich vereinfachen die Identifizierung unbekannter Leachables.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden 12 unbekannte Substanzen, welche bei einer Extrakti-onsstudie an einer neuentwickelten mehrschichtigen Folie erfasst wurden, erfolgreich identifiziert. Elf cyclische Oligomere und ein Diurethan wurden durch den kombinierten Einsatz verschiedener flüssig- (LC) und gaschromatographischer (GC) Methoden mit mas-
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senspktrometrischer Detektion (MS) eindeutig identifiziert. Die Quelle aller extrahierten Verbindungen war der Polyurethankleber, der zum Verkleben der einzelnen Folienschich-ten verwendet wurde.
Der zweite Schritt, welcher der Extraktionsstudie folgt, ist eine Leachable-Studie, bei der die Konzentrationen der Leachables im realen Produkt unter normalen Anwendungsbe-dingungen bestimmt werden. Dafür müssen spurenanalytische Verfahren mit einer hohen Empfindlichkeit vorhanden sein. Daher wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei GC-MS Me-thoden – die „ Stir Bar Sorptive Extraction“ (SBSE) und die „Dynamische HeadSpace“ (DHS) – für die Bestimmung von Leachables in Dialyselösungen im sub-ppb Bereich optimiert und validiert. Beide hier vorgestellten Analysenmethoden sind nicht auf die Analyten begrenzt, die in den jeweiligen Standardlösungen zum Einsatz kamen, stattdessen wurden sie als Screening-Methoden entwickelt, um auch unbekannte Leachables bestimmen zu können.
Bei der SBSE-Methode wurde ein Probenvolumen von 25 mL mit 8,5 g NaCl versetzt und für 4 h bei 1100 rpm mit einem 20 mm x 1 mm Magnetrührstäbchen extrahiert. Die Nach-weisgrenze lag für die meisten der 45 gleichzeitig quantifizierten Analyte bei 0,01 μg/kg und darunter mit Wiederholpräzision kleiner 23%. Die Methode wurde erfolgreich zur Quantifizierung von Leachables in fünf verschiedenen, aktuell erhältlichen Dialyselösungen eingesetzt. Hierbei wurden sowohl Gemeinsamkeiten hinsichtlich der Art und Menge der Leachables zwischen verschiedenen Hersteller festgestellt; es gab aber auch deutliche, womöglich herstellerspezifische Unterschiede. Die Konzentration der meisten Leachables in diesen Realproben lag zwischen 0,01 μg/kg und 10 μg/kg.
Bei der DHS-Methode wurden 10 mL Probenvolumen mit einem Gasfluss von 60 mL/min für etwa 13 min extrahiert. Die Bestimmungsgrenze lag für die meiste der 23 parallel be-stimmten Analyte bei 0,5 μg/kg und darunter, mit einer Wiederholpräzision unter 10% in Wasser. Die Methode wurde mit ähnlichen Ergebnissen für vier weitere Matrices validiert, wobei zwei davon typische Dialyselösungen darstellen. Die DHS ist somit sehr gut für die Leachable-Quantifizierung in Dialyselösungen geeignet. Der Hauptvorteil neben der gerin-gen Bestimmungsgrenze liegt in der vollautomatischen Probenvorbereitung, wodurch die Methode für Labore zur Qualitätssicherung mit hohem täglichem Probenaufkommen ideal geeignet ist.
Mit diesen beiden Methoden stehen nun Analysenverfahren zur Verfügung, die je nach Fragestellung mit minimalem Arbeitsaufwand und Bestimmungsgrenzen im sub-μg/kg-Bereich (DHS) oder höchsten Empfindlichkeiten im einstelligen ng/kg Bereich bei geringfü-gig höherem Arbeitsaufwand (SBSE) für Leachable-Studien an Dialyselösungen zum Einsatz
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kommen können. Mit diesen Verfahren können zukünftig noch detailliertere Informatio-nen über Leachables gewonnen werden, welche für die Erstellung umfassender toxikologi-scher Bewertungen im Interesse der Patientensicherheit von grundlegender Wichtigkeit sind. Des Weiteren können die Methoden womöglich unterstützend bei der Entwicklung neuer, Leachable-armer Verpackungsmaterialien eingesetzt werden.The presence of low molecular weight substances in plastic is unavoidable. Monomers, oligomers, catalysts and solvents among others originate from its productions process. In addition, plasticizers, colorants, antioxidants, antistatic agent and others are typically add-ed to achieve or improve certain properties of the plastic. The increasing use of plastics as packaging materials for solid and in particular liquid pharmaceuticals brought the focus onto the migration of those low molecular weight substances out of the packaging into packed good. This is of especial concern for solutions given the close contact to the pack-aging and the possibility that substances easily diffuse through the whole solution and contaminate it, once they are leached out of the plastic. In the case that the pharmaceuti-cal solution is meant for an infusion these so called ‘leachables’ get directly transferred into the blood of a patient and could pose a safety risk to patient health. Especially when the duration of a treatment lasts years or even a lifetime long very low concentrations down to ppb (μg/kg) or even ppt (ng/kg) should be taken as an upper threshold, to ensure patient safety. European authorities are aware of this risk and therefore demand detailed information about the identity, the amounts and the toxicological properties of all leacha-bles in a pharmaceutical.
For patients with a kidney failure dialysis with typically three treatments a week a lifetime long is the only kidney replacement therapy available beside a kidney transplantation. Depending on the treatment modality the dialysis solutions employed are packed in plastic bags. Changes in raw materials used for this plastic packaging or in particular newly devel-oped materials have to be characterized first by an extraction study under exaggerated conditions, to force the migration of all possible leachables into a test solution. The high concentrations in the ppm (mg/kg) range achieved by this approach simplify the identifica-tion of unknown components.
This identification of such substances detected in an extraction study for a newly devel-oped multi-layered plastic packaging material, was successfully carried out within the framework of this thesis. Eleven cyclic oligomers and one diurethan were unambiguously identified, due to the complementary use of several hyphenated chromatographic meth-ods combined with a mass spectrometric detection. The source of all extracted compo-nents was the polyurethane adhesive that was used for the lamination of the plastic films during the production of the multi-layer packaging.
The second step, which follows the extractable study, is a leachable study, where concen-trations of leachables under conditions of use are determined. Therefore, trace analysis
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methods with a high sensitivity as reasoned above must be available. Hence, two methods providing this sensitivity - the stir bar sorptive extraction (SBSE) and the dynamic head-space (DHS) – were optimized and validated within this thesis for the determination of leachables in dialysis solutions. Both employ a gas chromatographic separation with a mass spectrometric detection and both methods are not limited to the analytes used in the respective standard solutions, but instead both were developed as screening methods, to be able to detect unknown leachables as well.
The optimized SBSE method utilized a sample volume of 25 mL that was extracted after the addition of 8.5 g NaCl for 4 hours at 1100 rpm with a 20 mm x 1 mm stir bar. Detection limits of 0.01 μg/kg and below were found for most of the 45 substances with repeatabili-ties below 23%. The method was successfully applied to five different, currently available dialysis solutions. These findings showed similarities in chemical structures and concentra-tions for some leachables between all suppliers, but also distinct differences. Concentra-tions for most of the detected leachables were in the range of 0.01 μg/kg to 10 μg/kg.
The DHS method utilized 10 mL sample volume that was extracted with a purge flow of 60 mL/min for about 13 min. The limits of quantification (LOQ) were 0.5 μg/kg or less for most of the 23 analytes with repeatabilities below 10% in the water matrix. The method was validated with similar results in four additional matrixes, where two of them represent typical dialysis solutions. Therefore the method has proven to be suitable for the determi-nation in dialysis solutions. Its key advantage beside the low LOQ is the fully automated sample preparation, which qualifies it for quality control laboratories with a high sample throughput per day.
Depending on the analytical problem, two methods, one with a limit of quantification in the sub-μg/kg-range at a minimal workload (DHS) and the other with highest sensitivity down to the low ng/kg range at a slightly higher workload, are now available for the de-termination of leachables in dialysis solutions. With these tools more detailed information about leachables can be gathered in the future, which are important for profound toxico-logical assessments to ensure patient safety. Furthermore, these methods will probably be helpful in the development of plastic packaging materials, comprising significantly reduced leachable levels
Development and evaluation of an empathy trainingprogram based on an integrative process model to reduce empathic short circuit acting
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird die theorie- und empiriebasierte Entwicklung eines Empathietrainingsprogramms für soziale Berufe beschrieben. Ziel des Trainings ist der funktionale und reflektierte Umgang mit dem eigenen empathischen Handeln zur langfristigen Prävention von emotionalen Fehlbelastungen. In der anschließen-den empirischen Studie wird dieses Programm hinsichtlich Akzeptanz und Wirksam-keit in der Krankenpflegeausbildung evaluiert.
Im ersten Teil der Arbeit wird basierend auf der Analyse der bisherigen Literatur eine integrative Arbeitsdefinition der Empathie vorgeschlagen. Demnach wird Em-pathie als ein kognitives und affektives Phänomen verstanden, das sowohl eine stabile Persönlichkeitseigenschaft im Sinne einer Verhaltenstendenz als auch eine generelle Fähigkeit beschreibt, die in eine erlern- und trainierbare Fertigkeit um-setzbar ist. Empathie wird dabei erst in der konkreten Interaktion mit anderen Per-sonen realisiert und damit existent. Bisherige Konzepte der Empathieforschung werden im Empathie-Prozessmodell (EPM) integriert, mit dem auch bestimmte dys-funktionale Reaktionen erklärt werden können. Diese „empathischen Kurzschlüsse“ (EKS) werden als eine kommunikative Notreaktion konzipiert, die primär der eige-nen kurzfristigen Emotionsregulation dient. Es wird angenommen, dass die langfris-tige Kumulation derartiger EKS-Reaktionen negative Auswirkungen auf die emotio-nale Befindlichkeit in Form von psychosomatischen und Belastungssymptomen des-jenigen hat, der die EKS begeht. Zur Reflexion des eigenen empathischen Verhaltens wird das Konzept der Gewaltfreien Kommunikation (GFK) nach Rosenberg vorgeschlagen.
Im zweiten Teil der Arbeit wird die Entwicklung eines Empathietrainingsprogramms für soziale Berufe beschrieben, welches auf dem Konzept der GFK aufbaut. Dieses Programm intendiert erstens die Reflexion des eigenen empathischen Handelns und das Erkennen der Risiken des EKS, sowie zweitens den Aufbau von erprobten Hand-lungsalternativen und deren Integration in den Arbeitsalltag. Basierend auf empiri-schen Vorstudien und der Analyse bestehender Trainingskonzepte wurden die 35 didaktischen Einheiten des viertägigen Programms entwickelt, die aus Gruppen- und Partnerübungen, moderierten Diskussionen, individueller Arbeit und Kurzvorträgen bestehen.
Den dritten Teil der Arbeit bildet eine empirische Studie zur Evaluation der Akzep-tanz und Wirksamkeit dieses Trainingskonzeptes an einer Stichprobe von 448 Aus-zubildenden in der Krankenpflege. Das Design entspricht dabei einer längsschnittli-chen Interventions-Kontrollgruppen-Studie mit Prä-, Post- und Follow-up-Messung über 3,3 Monate. Es konnte gezeigt werden, dass das Training zu positiven Effekten in den sozialen und emotionalen Kompetenzen sowie in den psychosomatischen und Belastungssymptomen führt. Die Balance aus Empathie für andere und Selbstempathie sowie der Fokus auf die Gefühle und Bedürfnisse bei aufrechterhal-tener Selbst-Andere-Differenzierung im Sinne der GFK konnten als erfolgreiche In-terventionen bestätigt werden. Die gesteigerte Akzeptanz der eigenen Emotionen und die Stärkung der Handlungsfähigkeit in intensiven, emotionalen Situationen können als protektive Faktoren bezüglich psychosomatischer Belastungs- und Burn-out-Symptome gesehen werden, die besonders in den sozialen bzw. helfenden Be-rufen von Bedeutung sind. Funktionale, reflektierte Empathie kann also in der An-wendung der Methode der GFK auf Grundlage des EPM zur Vermeidung des EKS in einem Training erreicht werden. Es bedarf natürlich weiterer Forschung zur detail-lierten Analyse der genauen Wirkmechanismen und differenzierten Effektivität von einzelnen Trainingseinheiten.The present study investigates the effects of a self-developed empathy training for the social professions. As Empathy is defined in varying ways in the current litera-ture, an integrative definition is proposed using the Empathy Process Model (EPM). According to this empathy can be seen as a process that incorporates aspects of both a stable personality trait and an ability, which can be trained and developed into practical skills. The model also allows explaining dysfunctional empathic behav-ior such as the Empathic Short Circuit (ESC). The ESC is described as a communica-tive shortcut to escape an emotionally tense situation by disrupting the emotional interaction, leaving both involved with a diffuse dissatisfaction. It is assumed that the accumulation of these reactions over time may reflect in psychosomatic and symptoms of emotional strain. To review one’s own empathic actions the concept of Nonviolent Communication (NVC) by Rosenberg is suggested. The training program which is subsequently described in its development and prior evaluative studies builds on the NVC concept. The aim is to reflect one’s empathic actions to avoid the ESC as well as to install alternative strategies to deal with intense emotional situations in the everyday work context of the social professions.
An evaluation of the training program is presented assessing its acceptance and efficacy in nursing schools with a total of 448 participants in the longitudinal inter-vention-control-group study. Significant changes could be achieved in strengthening several social and emotional competences as well as in reducing psychosomatic and symptoms of emotional strain. A higher acceptance for one’s own emotions and a higher experienced agency, i.e., capacity to act in emotionally tense situations were among the major effects of the training. The NVC concept of balance between fo-cusing of empathy for the other person and focusing one’s own emotional situation has been proven to be a useful strategy in reducing emotional strain and has been successfully implemented in the training program for the social professions. Further studies are necessary, e.g., to analyze of the effectiveness of single training units in detail
Speziierung und Toxizität metall(oid)organischer Verbindungen ausgewählter Metall(oid)e in biologischen und umweltrelevanten Systemen
No full text„Gosio“, „Wetterhahn“, „Minamata“, and „Black Foot Disease“ are only some synonyms counting for the hazards and risks of methylated metal(loid) organic compounds. Furthermore they point out how significant the properties of inorganic metal(loid)s differ from those of their methylated organic form. Thus, this dissertation deals with the speciation and toxicity of metal(loid)organic compounds with a particular focus on Hg, As and Sb in biological and environmental relevant systems.
At least since the tragic accident of Prof. K. Wetterhahn as the result of dimethylmercury poisoning caused by the spill of a few drops of this chemical on her glove-covered hand, it is known that these compound can penetrate Latex gloves. However, only very little is known about permeation through other disposable glove materials or for different metal(loid) organic compounds like e.g. tetramethyl tin (Me4Sn) or trimethyl bismut (Me3Bi)) under typical laboratory conditions. With a new developed, heated permeation cell the breakthrough time of Me2Hg, Me4Sn, Me3GeCl, Me2AsI, and Me3Bi for various protective glove materials are determined. The results have shown, that most typically used disposable protective gloves (vinyl, vatex, nitrile) are penetrated within seconds and thus do not provide suitable protection.
Methylated metal(loid) compounds are formed in the environment, favored by increased temperatures and anoxic conditions. In times of increasingly scarce of fossil fuel, biogas plants, which already have a great share in the production of renewable energy in Germany, are upcoming new diffuse and usually not accounted for sources of metal(loid) organic compounds (HotSpots). By the way, these plants are typically canvas-covered and metal(loid)s may also penetrate these foils. Therefore in this work four different biogas plants (biodigestor, postfermenter, condensation water and biogas) are analyzed. In all biogas samples permethylated metal(loid) organic compounds are detected (31-694 ng/m³ Me3As, 0-2 ng/m³ Me2Hg, 0-7000 ng/m³ Me3Sb und 0-79 ng/m³ Me4Sn). As expected both, the biodigestor as well as the postfermenter, are an origin of many partly and per methylated arsenic, antimony, mercury, and tin species. The gas condensates are estimated as a potential sink for methylated metal(loid) compounds. Beside highly toxic dimethyl mercury (> 0.1 µg/L) different methylated arsenic species (e.g. Me3As > 90 µg/L) as well as several not identified antimony species were detected in the condensates.
While the toxicology of the inorganic form of the metal(loid) is mostly well documented and some of them are relatively low toxic, the toxicity of their metal(loid) organic species is mostly hard to determine. However, the permeation capability of metal(loid) organic compounds through membranes can also be used to evaluate the toxicity of these highly volatile substances. Therefore CHO-9 cells—an established cell system for toxicity testing, CaCo cells—human colon cells, and HepG2 cells cells—human hepatic cells are grown on a “ThinCert” membrane and exposed against different metal(loid) organic compounds in a new designed exposition system. The results showed that dimethylmercury was most toxic to all three used cell lines followed by dimethylarsenic iodide. Tetramethyltin was the least toxic compound; and the toxicity was also dependent upon the cell type. Human colon cells (CaCo) were most susceptible to the toxicity of the volatile compounds compared to the other cell lines. However, volatile metal(loid) compounds can be toxic to mammalian cells already at very low concentrations but the toxicity depends upon the metal(loid) species and the exposed cell type.
Furthermore, the toxicity also depends on the uptake speed and the intracellular biotransformation. In particular for arsenic, MMA(III) (monomethylarsonous acid) is one of the most important metabolites. Based on previous experiences time-resolved biotransformation of MMA(III) in hepatoma cells and speciation in the cell residues where performed by HPLC/ICP-MS. As a result of the speciation analysis it can be concluded that MMA(III) is immediately taken up and rapidly bound to proteins and other cellular structures, first followed by the generally accepted methylation to DMA, and in a second step by the degradation of affected proteins and cellular structures in the lysosome. Because of the comparison of the relation of mono- und dimethylated arsenic in the lysates and the cell residues it can be assumed that the methylation takes place in the cells, the methylated species are staying in the cell and are only slowly excreted.
Several parts of this dissertation have already been published in relevant scientific journals