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Trehalose metabolism in (hyper-) thermophilic Archaea
No full textDie Rolle und Synthese von Trehalose sowie die Regulation der Trehalose-Synthese-Wege in Archaea ist bisher nicht völlig geklärt. In dieser Arbeit sollten der TPSP-Weg aus T. tenax, sowie der TreT/OrfY-Weg in den Crenarchaeota T. tenax, S. acidocaldarius und S. solfataricus untersucht werden, um eine mögliche Funktion von Trehalose als kompatibles Solut aufzuklären.
Die T. tenax Trehalose-6-Phosphat Synthase/Phosphatase (TPSP) zeigt eine hohe Phosphatase-Aktivität, muss jedoch über die kotranskribierte Glykosyltransferase (GT) aktiviert werden um über die bifunktionale Synthase-Phosphatase-Aktivität zu verfügen. Dabei beruht die Aktivierung der TPS-Aktivität durch GT auf der Fusion der beiden Domänen (TPS und TPP) der TPSP. „Yeast two-Hybrid“-Experimente deuten auf eine Komplexbildung in vivo hin; somit könnte dieser Komplex je nach Bedarf gesteuert werden. Zusätzlich zu diesem einzigartigen Komplex wurden Hinweise auf einen mechanosensitiven Kanal gefunden, der sich wahrscheinlich auf Änderungen der Membranspannung hin öffnet und schließt. So konnte ein Modell für die Stressantwort in T. tenax erstellt werden. Unter Stresseinwirkung, wie der Erhöhung der Salzkonzentration im Medium, bilden TPSP und GT einen Komplex, was zur Synthese von Trehalose führt. Somit kann die Zelle vor Schäden durch die gesteigerte Osmolarität geschützt werden. Ändern sich die Umgebungsbedingungen, so ändert sich auch die Membranspannung der Zelle. In Folge dessen öffnet sich der mechanosensitive Kanal und hydrierte Solute, wie z.B. Trehalose können aus der Zelle ausgeschleust werden. Normalisiert sich die Membranspannung, so schließt sich der Kanal wieder.
Der TreT/OrfY-Weg in T. tenax besteht aus der Trehalose Glykosyltranferrierenden Synthase (TreT) und einem offenen Leserahmen unbekannter Funktion (OrfY). Wie von Kouril et al. 2008 gezeigt wurde, ist die TTX_TreT unidirektional, kann also nur die Synthese von Trehalose katalysieren und diese nicht abbauen. Dabei ist die Aktivität der TreT unabhängig von OrfY. Auch in S. solfataricus und S. acidocaldarius wurden die Gene treT und orfY identifiziert; in S. acidocaldarius bilden sie ein Operon. Dies scheint einzigartig für Thermoproteales und Sulfolobales, sowie für einige Bakterien. Ein Schwerpunkt der Arbeit war die Untersuchung von OrfY. Die Kristallisierung des Proteins (Dr. J. Martin, Prof. Dr. A. Lupas, MPI Tübingen) zeigte, dass das Protein OrfY eine völlig neuartige Faltung besitzt. OrfY besteht aus zwei nahezu identischen Domänen, die in HHpred Vorhersagen als TetR-Transkriptionsregulator-ähnliche Helix-turn-Helix (HTH)-Domänen identifiziert wurden. Ähnliche, jedoch nicht duplizierte HTH-Domänen finden sich neben den OrfY Homologen aus Bakterien und Archaea ebenfalls in Amylasen, PEP bindenden Proteinen, die teilweise als PEP Synthasen oder Pyruvat-Phosphat-Dikinasen oder Antwort Regulatoren annotiert sind, wie auch in Proteinen unbekannter Funktion aus thermoacidophilen Organismen und proteinkodierenden Sequenzen aus Metagenomprojekten. Strukturvergleiche zeigten konservierte Reste (H49/157 und D67/171), die ein aktives Zentrum bilden könnten, welches durch die Aromaten F12/120 und W71/175 vermutlich stabilisiert wird. Dies deutet auf eine enzymatische Aktivität hin. Es konnte gezeigt werden, dass die Gegenwart von Trehalose oder Glukose die Oligomerisierung von OrfY beeinflussen. Des Weiteren wurde übereinstimmend mit der HTH-Domänenstruktur eine starke DNA-Bindung beobachtet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass OrfY einerseits Zucker binden und eventuell auch enzymatisch umsetzen kann, zum anderen als Helix-turn-Helix-Domänen-Protein aber auch DNA binden könnte.
In den beiden untersuchten Sulfolobus Spezies findet sich zusätzlich zum TreT/OrfY-Weg ein zweiter Weg zur Trehalose-Synthese, der TreY/TreZ-Weg (Lama, 1990; Maruta, 1996). Für beide Organismen wurden Deletiosnmutanten konstruiert (MW001∆orfY, MW001∆treT, MW001∆treY, MW001∆orfY∆treT, MW001∆orfY∆treY, MW001∆treT∆treY und MW001∆treY∆orfY∆treT, bzw. S. solfataricus PBL2025∆treT), deren Wachstum unter verschiedenen Stressoren (erhöhte Salzkonzentration ((250 mM KCl, bzw. 300 mM NaCl) initial oder ab der logarithmischen-Wachstumsphase zugegeben (in S. acidocaldarius), bzw. 200 mM – 700 mM NaCl, initial zugegeben (bei S. solfataricus) , so wie eine erhöhte Wachstumstemperatur von 83, bzw. 85°C) untersucht wurde. Durch diese Experimente konnte gezeigt werden, dass Trehalose für beide Organismen unter Salzstress (besonders NaCl) wichtig ist. Sowohl der TreT/OrfY- als auch der TreY/TreZ-Weg sind essentiell für eine Stressantwort; es scheint keinen weiteren Trehalose-Synthese-Weg in diesen Organismen zu geben. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass OrfY eine Rolle bei der Bildung von Trehalose spielt. Des Weiteren zeigte sich, dass sowohl Mutanten ohne orfY, als auch ohne treT einen veränderten Phänotyp gegenüber dem Wildtyp unter Stresseinwirkung ausweisen, was bedeutet, dass sowohl TreT als auch OrfY für einen funktionellen TreT/OrfY-Weg essentiell sind. Dabei könnte OrfY eine regulatorische Funktion haben, was zu den HHpred Vorhersagen des TTX_OrfYs passt. Die Versuche legen nahe, dass der TreT/OrfY-Weg wie auch der TreY/TreZ-Weg nicht konstitutiv genutzt wird, sondern beide Wege Wachstumsphasen abhängig sind. Um dies weiter zu untersuchen, müssen Rohextrakt-Analysen mit Zellen aus verschiedenen Wachstumsphasen durchgeführt werden. Die Trehalose-Synthese scheint also in den beiden Sulfolobus Spezies unter Stressbedingungen induziert zu werden und das Disaccharid als kompatibles Solut zu fungieren.The role of trehalose and its synthesis as well as the regulation of the pathways for trehalose-synthesis are not fully understood. The aim of the presented work was the investigation of the TPSP-pathway in T. tenax and the TreT/OrfY-pathway in the Crenarchaeota T. tenax, S. acidocaldarius and S. solfataricus in order to find a possible function of trehalose as compatible solute.
The T. tenax trehalose-6-phosphate synthase/phosphatase (TPSP) shows high phosphatase-activity, however, the enzyme must be activated by the cotranscribed glycosyltransferase (GT) to comprise the full bifunctional synthase-phosphatase-activity. Thereby the activation of the TPS-activity by GT is based on the fusion of both domains (TPS and TPP) of the TPSP. „Yeast two-Hybrid“-experiments point to a complexation in vivo; hence, this complex might be regulated depending on the demand. Additional to this unique complex, there are evidences for a mechanosensitive channel, probably reacting to changes of the membrane tension by opening and closing. This way a model for the stress response in T. tenax was constructed. Within a stress situation, like the increase of salinity in the medium, TPSP and GT build a complex, leading to the synthesis auf trehalose. According to this, the cell is protected against damages by high osmolarity. When the environmental conditions change also the membrane tension changes, followed by the opening of the mechanosensitive channel. This way, hydrated solutes, e.g. trehalose, can flush out of the cell. After normalizing the membrane tension, the channel closes again.
The TreT/OrfY-pathway in T. tenax comprises a trehalose glycosyl transferring synthase (TreT) and an open reading frame of unknown function (OrfY). As shown by Kouril et al. 2008, the TTX_TreT is unidirectional, only catalyzing the synthesis of trehalose. Here, the activity of TreT is independent from OrfY. Also in S. solfataricus and S. acidocaldarius the genes treT und orfY were identified; in S. acidocaldarius they are located within an operon. This seems to be unique for the Thermoproteales and Sulfolobales, as well as for some Bacteria. A milestone of this work was the examination of OrfY. The crystallization of the protein (Dr. J. Martin, Prof. Dr. A. Lupas, MPI Tübingen) showed, that the protein OrfY comprises a totally new folding. OrfY consist of two almost identical domains that show, according to predictions from HHpred, Helix-turn-Helix (HTH)-like domains with similarities to TetR-transcriptional regulators. Similar but not duplicated HTH-domains are amongst OrfY homologues in Bacteria and Archaea. These are also found in amylases, PEP-binding proteins annotated on the one hand as PEP-synthases and on the other hand as pyruvate-phosphate-dikinases or response regulators. The motif can also be found in proteins of thermoacidophilic organisms with unknown function and protein-coding sequences from metagenomic projects. Structural comparisons show conserved residues (H49/157 and D67/171), maybe building the active site, that presumably is stabilized by the aromates F12/120 and W71/175. All these facts point to an enzymatic activity. It was demonstrated, that the presence of trehalose and glucose affects the oligomerization of OrfY. Corresponding to the HTH-domain structure, a strong DNA-binding could be observed. The results indicate, that on the one hand OrfY binds and maybe even enzymatically converts sugar and on the other hand that the Helix-turn-Helix-domain protein also might bind to DNA.
In both examined Sulfolobus species a second way for trehalose synthesis despite the TreT/OrfY-pathway is found: the TreY/TreZ-pathway (Lama, 1990; Maruta, 1996). For both organisms deletion-mutants were constructed (MW001∆orfY, MW001∆treT, MW001∆treY, MW001∆orfY∆treT, MW001∆orfY∆treY, MW001∆treT∆treY und MW001∆treY∆orfY∆treT, respectively S. solfataricus PBL2025∆treT). The growth was monitored under different stressors (elevated salt concentration (S. acidocaldarius: 250 mM KCl or 300 mM NaCl, respectively added initial or in the logarithmical growth phase, respectively; S. solfataricus: 200 mM – 700 mM NaCl added initial), as well as an increased growth temperature of 83 or 85°C, respectively). The experiments showed that trehalose is very important for both organisms under salt stress (especially NaCl). The TreT/OrfY- as well as the TreY/TreZ-pathway are essential for the stress response. It seems that there is no other trehalose-synthesis-pathway in these organisms. This study showed that OrfY plays a role in the formation of trehalose. Additionally, it could be shown, that mutants lacking orfY or treT, respectively, show an altered phenotype under stress conditions compared to the wildtype, pointing to the conclusion that TreT and OrfY are essential for a functional TreT/OrfY-pathway. OrfY might have a regulatory function, fitting to the HHpred predictions. The results indicate that the TreT/OrfY-pathway and the TreY/TreZ-pathway are not used constitutively but are growth phase dependent. To get further information crude extract analysis with cells from different growth phases should be performed. The trehalose-synthesis seems to be induced in both Sulfolobus species under stress conditions and the disaccharide appears to function as compatible solute
Fault detection in nonlinear systems: an observer-based approach
No full textAn un-permitted deviation of at least one characteristic property or parameter of a system from standard condition is referred as a fault. Faults result in reduced efficiency of the system, reduced quality of the product, and sometimes complete breakdown of the process. This not only causes economic losses but may also result in fatalities. An early detection of faults can assist to avert these losses. Therefore, fault detection and process monitoring is becoming an essential part of modern control systems. Fault detection in linear dynamical systems has been extensively studied and well established techniques exist in the literature. However, fault detection for nonlinear dynamical systems is yet an active field of research. This work is motivated by the fact that most of real systems are nonlinear in nature and there is a need to develop fault detection techniques for nonlinear systems. Observer-based methods for fault detection have proven to be among the most capable approaches, therefore, this research is focused towards these methods.
The first step in observer-based fault detection is to generate a symptom signal, called the residual signal, which carries the information of faults. This is done by comparing the measurements from the process to their estimates generated by an observer (filter). It is desired that the residual signal is sensitive to faults and robust against disturbances. This research presents new methods for designing observer (filter) to generate residual signal
which is sensitive to faults and robust against disturbances. Three types of filters are proposed in this dissertation; these include a fault sensitive filter, disturbance attenuating filter, and a filter to achieve simultaneous attenuation of disturbances and amplification of faults.
Despite the disturbance attenuation property of the proposed filters, the residual signal is not completely decoupled from the effect of disturbances and uncertainties. Therefore, a threshold is needed to care for the effect of disturbances and uncertainties. Selection of threshold plays an important role in the performance of the fault detection system. If it is selected too high, some faults will not be detected. Conversely, if it is selected too low, disturbances and uncertainties will result in false alarms. This research presents a new method to determine the threshold to avoid false-alarms and to minimize missed-detections. A threshold generator is proposed which is itself a dynamic system and produces a variable threshold. This threshold changes with the effects of uncertainties and disturbances and fits more tightly to the fault-free residual signal and, hence, the performance of fault detection system is improved.
In addition to the residual generation stage, the efficiency of a fault detection system can also be optimized by post-filtering. A further contribution of this research is in proposing a post-filter which operates on the residual signal to generate a modified residual signal. This modified residual signal is simultaneously sensitive to faults and robust against disturbances. Together with this post-filter, a strategy is adopted to select a threshold which maximizes the fault detectability and minimizes the number of false-alarms
Behavior of Gadolinium-based diagnostics in water treatment
No full textZurzeit werden in ganz Europa Kläranlagen mit zusätzlichen Aufbereitungsstufen ausgerüstet, um Spurenstoffe besser zu entfernen. Die meisten Spurenstoffe werden durch Oxidation kostengünstig entfernt. Sorptionsprozesse werden hingegen bevorzugt, da keine Transformationsprodukte entstehen. Der Reaktionsweg des für die Oxidation präferierten Ozons wird in Pfade über Ozon und über Hydroylradikale, die durch Ozon-Matrix Reaktionen entstehen, geteilt. Die Oxidationseffizienz hängt stark von den Reaktionsgeschwindigkeiten der Stoffe ab. Sorptionsprozesse werden üblicherweise durch Sorptionsisothermen beschrieben, einschließlich der Sorptionsstärke. Zur Beschreibung von Filtrationsprozessen sind ebenfalls Isothermendaten notwendig.
Bisher wurde das Verhalten von Gadolinium Chelaten, die als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie verwendet werden, nicht in den genannten Aufbereitungsstufen untersucht. Die stabilen Chelate werden unmetabolisiert ausgeschieden und nur unzureichend in konventionellen Kläranlagen entfernt. Sie bleiben intakt und Gd(III) wird nicht freigesetzt. Dies könnte durch oxidative Verfahren geändert werden, da diese potentiell in der Lage sind Chelate zu zerstören und Gd(III), das im Gegensatz zu der Chelatform toxisch ist, freizusetzen.
Untersuchungen in Trink- und Abwasser wurden durchgeführt, um die Relevanz von Gadolinium in den Aufbereitungsstufen zu zeigen. In einer europaweiten Studie wurde in 75 Kläranlagen eine durchschnittliche Konzentration von 118 ng L-1 Gadolinium ermittelt, was einer nicht-geogenen Konzentration von 116 ng L-1 entspricht. Im Trinkwasser aus dem Ruhrgebiet wurde eine fünfmal geringere Gadolinium Konzentration und Anomalie ermittelt als in den untersuchten Abwasserproben. Die im Trinkwasser bestimmten Konzentrationen sind geringer als akute Toxizitätskonzentrationen. Die Speziation des Gadoliniums in den untersuchten Proben wurde nicht bestimmt, jedoch wird angenommen, dass die anthropogene Gadoliniumfraktion als Chelat vorliegt.
Adsorptionseigenschaften wurden für unterschiedliche Aktivkohletypen und aktivierte Polymer-basierte Sorbentien ermittelt. Der Freundlich Koeffizient ist für Gd-BT-DO3A zwischen 0.013 und 2.83 (μmol kg-1)(L μmol-1)1/n bezogen auf Chemviron RD 90® und das am stärksten aktivierte synthetische Adsorbent. Laborversuche mit Kleinfiltersäulen, die mit Trinkwasser betrieben wurden, geben Einblick in das
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Adsorptionsverhalten während der Festbett-Filtration. Das Durchbruchverhalten wurde anhand des Linear Driving Force Modells beschrieben. Um die experimentellen Daten zu beschreiben, wurden Isothermen des gelösten organischen Kohlenstoffs in das Modell integriert. Dadurch wurde ein Filtrations-Kompetitionseffekt nachgewiesen, der sich von dem direkten Kompetitionseffekt unterscheidet. Erste Untersuchungen in einer Kläranlage verifizierten die schlechte Adsorbierbarkeit des Gadoliniums, die ähnlich der des Röntgen-Kontrastmittels Iopamidol ist. Daher wird Gadolinium aus Abwasser durch Adsorptionsstufen kaum entfernt werden. Jedoch kann Gadolinium als Indikatorsubstanz für die Ermittlung von Filterdurchbrüchen verwendet werden.
Die Geschwindigkeitskonstanten der Reaktion der Chelate mit Ozon und Hydroxylradikalen wurden unter Bedingungen pseudo-erster Ordnung bestimmt. Die Konstante für die Reaktion mit Ozon ist für alle Chelate 109 M-1 s-1) zeigen, dass eine Reaktion mit Hydroxylradikalen im Abwasser möglich ist. Die Reaktionsprodukte der Oxidationen zeigten keinen Effekt in den angewandten Zell- und Gentoxizitätstests, sowie dem Östrogenitätstest. Hinsichtlich der Speziation des Gadoliniums wird angenommen, dass neue Chelate gebildet werden, die jedoch weniger stabil sein können, was eine Transmetallierung begünstigt. Dies ist auch für andere Chelate in der Wasseraufbereitung von Interesse.
In dieser Studie konnte erstmalig gezeigt werden, dass Gadolinium kaum durch die untersuchten Aufbereitungsstufen entfernt wird. Der Effekt der oxidativen Aufbereitung auf metall-organische Spezies, bedarf jedoch weiterer Untersuchung, insbesondere in Fällen in denen das freie Metallion als toxisch gilt.Wastewater treatment plants throughout Europe are retrofitted for a sufficient removal of micropollutants. Most target compounds are eliminated efficiently at reasonable costs by oxidation. Sorption processes, on the other hand, are favored as no transformation products are formed. For oxidation, ozone is preferred presently. Its action is divided in two main reaction pathways: Via ozone and via hydroxyl radicals formed by ozone-matrix reactions. Oxidation efficiency strongly depends on reaction rate constants. Sorption processes are usually characterized, including sorption strength, by determination of isotherms. Also, for description of filtration processes isotherm data are necessary.
So far, gadolinium chelates, used as contrast agents in magnetic resonance imaging, have not been investigated in both advanced wastewater treatment processes. The stable chelates are excreted without metabolization. Conventional wastewater treatment does not remove them substantially. They remain intact and no free Gd(III) is released. This may be changed due to oxidative treatment which potentially destroys the chelates, and Gd(III) ions which are toxic, contrary to the chelated form, may be liberated.
Monitoring campaigns in wastewater and drinking water have been performed to demonstrate the relevance of gadolinium in such treatment steps. In a European monitoring campaign an average concentration of 118 ng L-1 gadolinium has been determined for 75 wastewater treatment plants effluents, corresponding to a non-geogenic gadolinium concentration of 116 ng L-1. In drinking water in the Ruhr area, a densely populated region in Germany, gadolinium and the anomaly were measurable by a factor of five lower than the average in the investigated wastewater samples. The determined concentrations in drinking water are lower than acute toxic effect concentration. The speciation of gadolinium in the investigated samples is unknown, as only total element concentration has been determined, however, it is strongly assumed that the anthropogenic gadolinium fraction is present as chelate.
Adsorption characteristics were evaluated by bottle point isotherm experiments on different activated carbon types and activated polymer based sorbents. The Freundlich coefficients vary between 0.013 and 2.83 (μmol kg-1)(L μmol-1)1/n for Gd-BT-DO3A, on Chemviron RD 90® and on the best synthetic adsorbent,
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respectively. Lab scale experiments with small adsorber columns in a drinking water matrix gave insight in the behavior during fixed-bed adsorption processes. The breakthrough was described successfully by the Linear Driving Force model. Modeling has shown that a description of experimental results is only possible by including dissolved organic carbon isotherm results from drinking water in the model, to describe an additional competitive adsorption effect within the fixed-bed adsorber, different from direct competition. First investigations in a wastewater treatment plant proved a poor adsorption of gadolinium similar to iodinated X-ray contrast media such as iopamidole. Therefore, gadolinium will hardly be removed from wastewater by implementation of a further adsorptive treatment step. However, gadolinium may be utilized as indicator substance for breakthrough.
Rate constants of the chelates with ozone and hydroxyl radicals have been determined under pseudo-first-order conditions. Rate constants for the ozone reaction were determined to be 109 M-1 s-1) it is concluded that a reaction in wastewater via hydroxyl radicals is possible. No toxic transformation products were detected in the applied cytotoxicity, genotoxicity and estrogenity tests. Concerning the speciation of gadolinium after oxidation, it is suggested that gadolinium ions form new chelates with ligands formed during oxidation. These new chelates may be less stable than the original chelates which benefits transmetalation. This process is also of interest for other chelates present in a water matrix.
In this study it could be demonstrated, that gadolinium is not removed efficiently by the investigated treatment steps. Research on effects of oxidative treatment on metal-organic species is recommended, especially in cases, where the metal ion is toxic
Establishment and characterization of biodegradable calcium phosphate nanoparticles for the induction of potent anti-viral T cell responses
No full textDie immunologischen Abwehrmechanismen gegen Infektionskrankheiten sind sehr komplex. Dabei sind die verschiedenen Bereiche des Immunsystems gegen die Infektion einzelner Pathogene unterschiedlich effektiv. Während neutralisierende Antikörper schützend gegen einige Virusinfektionen wirken, sind sie gegen andere, wie z.B. HIV Infektionen, nicht ausreichend. Dies ist unter anderem in der Morphologie und Pathologie des jeweiligen Virus begründet. Die Möglichkeit Pathogen-spezifische T-Zellantworten zu induzieren ist in solchen Fällen für neuartige Vakzine von besonderer Wichtigkeit. Nanopartikuläre Ansätze werden dabei als sehr effektive Immunisierungsvehikel angesehen. Die partikuläre Struktur der Nanopartikel, sowie die Funktionalisierung mit immunogenen Strukturen von Bakterien oder Viren, ergeben ein Pathogen-Mimikry, welches eine Pathogen-ähnliche Aktivierung des angeborenen Immunsystems und damit Initiierung einer Immunantwort erlaubt.
In dieser Arbeit wurde der Einsatz von biologisch abbaubaren Calciumphosphat (CaP) Nanopartikeln als Immunisierungsvehikel untersucht. CaP Nanopartikel wurden mit Toll-like Rezeptor (TLR)-Liganden CpG (TLR9) oder poly(I:C) (TLR3), sowie viralen Antigenen funktionalisiert und die schnelle Aufnahme dieser Nanopartikel durch Dendritische Zellen (DCs) gezeigt. Die Aufnahme der Nanopartikel in vitro führte zur Reifung der DCs und zur Induktion einer Virus-spezifischen T-Zell-Antwort.
Immunisierungsexperimente mit funktionalisierten CaP Nanopartikeln gegen das Influenza Virus und das retrovirale Friend Virus zeigen deutlich, dass es zur Induktion Virus-spezifischer IFN-γ-produzierender CD4+ und CD8+ Effektor T-Zellen kommt. Die anti-virale Funktion dieser Zellen wurde in anschließenden Infektionsexperimenten gezeigt. Sowohl die Influenza-Viruslast als auch die Friend-Viruslast konnte signifikant reduziert werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen das Potential des neu entwickelten Nanopartikel-Systems für den Einsatz in der prophylaktischen Vakzinierung sehr deutlich. Einige virale Infektionen resultieren jedoch nicht in der vollständigen Klärung der Pathogene und können zu chronisch persistierenden Infektionen führen. Immunologische Toleranzmechanismen führen dabei oft zu Beeinträchtigung der Immunantwort. Deshalb ist hier die Reaktivierung der Pathogen-spezifischen Immunantwort eines der wichtigen Ziele einer therapeutischen Immunisierung. Im chronischen FV-Mausmodell wurde demonstriert, dass die einmalige therapeutische Immunisierung mit funktionalisierten CaP Nanopartikeln zu einer signifikanten Reduktion der Viruslast führt. Dabei scheint die Reaktivierung von Virus-spezifischen CD8+ T-Zellen und die Reduktion regulatorischer T-Zellen einen wichtigen Beitrag zu leisten.
Zusammenfassend machen die Ergebnisse dieser Arbeit sehr deutlich, dass sich CaP Nanopartikel hervorragend als Immunisierungsvehikel eignen. Die umfangreichen Funktionalisierungsmöglichkeiten dieses Systems erlauben zusätzlich einen sehr flexiblen Einsatz dieser Nanopartikel gegen verschiedene akute und chronische Infektionen.The immunological mechanisms against infectious diseases are very complex. The different parts of the immune system thereby show diverse effectivity against several pathogens. Due to morphology and pathology neutralizing antibody responses may protect against some viral infections but fail to prevent infection with others, like HIV.
The ability of vaccines to induce T cell responses is crucial for preventing diseases caused by most intracellular pathogens like viruses or bacteria. Nanoparticles are considered as potent vaccination tools in new vaccine designs, since they mimic invading pathogens by their particular structure and can be functionalized with immunogenic parts of bacteria or viruses. The stimulation of certain specialized receptors with these structures therefore leads to an activation of the innate immune system. This study describes a novel vaccination approach with biodegradable calcium phosphate (CaP) nanoparticles functionalized with immunoactive Toll-like receptor 9 ligand (CpG) or Toll-like receptor 3 ligand poly(I:C) co-encapsulating virus derived peptides. Functionalized CaP nanoparticles are rapidly taken up by dendritic cells (DCs) which lead to successful maturation of DCs and the induction of virus-specific T cell responses. Immunization with functionalized CaP nanoparticles against influenza virus or the retroviral Friend virus elicited a potent T cell-mediated immune response with high numbers of anti-viral IFN-γ-producing CD4+ and CD8+ effector T cells. Challenge experiments demonstrated a significant reduction of viral loads. The results of this study demonstrate the high potential of these nanoparticles as novel and flexible tool for prophylactic vaccination.
However, many viral infections do not result in pathogen clearance but rather in viral persistence and the development of a chronic state of infection. The immunological mechanisms of tolerance have a great impact on the immune response. Thus, the reactivation of the pathogen-specific immune responses is one of the main goals during therapeutic vaccination. Single shot immunization with functionalized CaP nanoparticles was sufficient to significantly decrease viral load in persistent Friend retroviral infection. Especially the reactivation of virus-specific CD8+ T cells and the reduction of regulatory T cells seem to mediate this effect. Taken together, these results recommend functionalized CaP nanoparticles as a novel immunization tool. The possibility of further modifications implies their use for several prophylactic and therapeutic immunizations
Studies on Pragmatic Focus Interpretation
No full textAusgangspunkt dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, welche Rolle die Prosodie und der Kontext für die Interpretation von pragmatischem Fokus spielen. Zu diesem Zweck führen wir eine Reihe von Interpretationsexperimenten durch. Die Ergebnisse zeigen, dass die Akzentuierung für die pragmatische Fokusinterpretation eine geringere Rolle spielt als in semantisch-pragmatischen Theorien zumindest implizit oft angenommen wird. Des Weiteren lässt sich ein verhältnismäßig
schwacher Effekt prosodischer Indikatoren von (Un)Sicherheit auf die (Nicht-)Exhaustivität von Antworten beobachten. Hingegen liefern unsere Daten Evidenz für einen Einfluss des sprachlichen Kontextes, d.h. des Mikro- und des Makro-Kontextes, auf die pragmatische Fokusinterpretation.
Ferner geht aus unseren Untersuchungen hervor, dass die Präferenz im Bereich der Syntax eine den prosodischen Fokusmerkmalen entsprechende Interpretation blockieren kann. Basierend auf den
Ergebnissen der Studien zur pragmatischen Fokusinterpretation entwickeln wir ein eigenes Sprachverarbeitungsmodell, innerhalb dessen wir die Ergebnisse unserer Untersuchungen erklären können. Dieses Modell ist an das Sprachproduktionsmodell von Levelt (1989) angelehnt und stellt die Akzentuierung, die prosodischen Indikatoren von Unsicherheit und den Kontext für die pragmatische Fokusinterpretation in einen funktionalen Zusammenhang. Da die Daten der
Interpretationsstudien nur eine schwache Evidenz für einen Effekt der Prosodie auf die Fokusinterpretation liefern, erachten wir es als notwendig, die Sprachproduktionsseite ebenfalls mit einzubeziehen. Im Rahmen einer Produktionsstudie wird entsprechend untersucht, welche
prosodischen Merkmale Sprecher verwenden, wenn sie pragmatischen Fokus produzieren, und ob sich nonverbale Signale beobachten lassen, die das akustische Sprachsignal begleiten. Die Resultate zeigen tendenziell, dass beim Signalisieren von Unsicherheit bezüglich der Fokusäußerung das akustische und das visuelle Signal koexpressiv sind.The starting point of this thesis is to investigate which roles prosody and context play for pragmatic focus interpretation. For this purpose, we conduct a series of interpretation studies. The results show that the role of accentuation is less evident for pragmatic focus interpretation than often assumed at least implicitly in semantic-pragmatic theories. Also, the effect of prosodic indicators of (un)certainty on (non)exhaustivity of answers is relatively weak. However, our data provide evidence that the linguistic context, i.e. the micro context and the macro context, influence
pragmatic focus interpretation. Furthermore, our results show that the preference for canonical word order can block a focus interpretation which is consistent with prosodic cues of focus. Based on the results of our interpretation studies, we derive a model which explains the role of accentuation, prosodic indicators of uncertainty and context for pragmatic focus interpretation. Our model is assumed to be part of a complete language processing model and is inspired by the Levelt model
(Levelt, 1989). Since the data of our interpretation studies show only weak evidence for a prosodic influence on focus interpretation, we deem it necessary to investigate the speech production side as well. The goal of our production study is to test which prosodic cues speakers use when they mark pragmatic focus. Also, the question arises whether nonverbal signals occur that accompany the acoustic signal. The results show a tendency for coexpressivity between the acoustic and the visual signal when speakers signal uncertainty with respect to the focus utterance
Transport through Hybrid Superconducting/Normal Nanostructures
No full textWe mainly investigate transport through interacting quantum dots proximized by superconductors.
For this purpose we extend an existing theory to describe transport through proximized quantum dots coupled to normal and superconducting leads.
It allows us to study the influence of a strong Coulomb interaction on Andreev currents and Josephson currents.
This is a particularly interesting topic because it combines two competing properties:
in superconductors Cooper pairs are formed by two electrons which experience an attractive interaction while two electrons located on a quantum dot repel each other due to the Coulomb interaction.
It seems at first glance that transport processes involving Cooper pairs should be suppressed because of the two competing interactions.
However, it is possible to proximize the dot in nonequilibrium situations.
At first, we study a setup composed of a quantum dot coupled to one normal, one ferromagnetic, and one superconducting lead in the limit of an infinitely-large superconducting gap.
Within this limit the coupling between dot and superconductor is described exactly by the presented theory.
It leads to the formation of Andreev-bound states (ABS) and an additional bias scheme opens in which a pure spin current, i.e. a spin current with a vanishing associated charge current, can be generated.
In a second work, starting from the infinite-gap limit, we perform a systematic expansion of the superconducting gap around infinity and investigate Andreev currents and Josephson currents.
This allows us to estimate the validity of infinite-gap calculations for real systems in which the superconducting gap is usually a rather small quantity.
We find indications that a finite gap renormalizes the ABS and propose a resummation approach to explore the finite-gap ABS.
Despite the renormalization effects the modifications of transport by finite gaps are rather small.
This result lets us conclude that the infinite-gap calculation is a valuable tool to study transport through proximized interacting quantum dots.
Not only does a finite superconducting gap give rise to renormalization effects but also the coupling to the normal lead can evoke renormalizations.
To explore these we calculate the correction terms arising from the coupling to the normal lead and identify renormalizations of the 0-pi~transitions of the Josephson current, the extrema of the Andreev current, and the average dot charge.
In the previous works the occurring normal conducting leads are assumed to be metallic so that the shape of the band structure can be neglected.
If the normal conducting region is a semiconductor, the shape of the band structure plays an important role.
In our last calculation we consider a p-type semiconductor--superconductor interface and study oblique injections of light holes and heavy holes.
Solving the Bogoliubov-de Gennes equations for a 6 by 6 Kane model we find that light holes and heavy holes can be Andreev reflected and in this process converted into each other.
Moreover, in perpendicular incidence heavy holes cannot be Andreev reflected.
Two types of critical angles occur.
First, a critical angle above which conversion-less Andreev reflection is no longer possible and, second, a critical angle above which heavy holes cannot be converted into light holes anymore.Transport durch hybride Supraleiter/Normalleiter Nanostrukturen
In dieser Arbeit untersuchen wir hauptsächlich den Transport durch wechselwirkende Quantenpunkte.
Dafür erweitern wir eine bereits existierende Theorie, um mit dieser den elektrischen Transport durch proximisierte Quantenpunkte mit normalen- und supraleitenden Zuleitungen zu beschreiben.
Dadurch sind wir in der Lage, den Einfluss einer starken Coulombwechselwirkung auf Josephson- und Andreevströme zu studieren.
Dies ist eine besonders interessante Themenstellung, da hier zwei gegensätzliche Mechanismen aufeinandertreffen:
In Supraleitern erfahren Elektronen paarweise eine anziehende Wechselwirkungskraft, wodurch sie sich zu Cooper-Paaren zusammenschließen, wohingegen sich zwei Elektronen auf dem Quantenpunkt durch die Coulomb-Kraft gegenseitig abstoßen.
Das suggeriert, dass elektrische Transportprozesse, die Cooper-Paare involvieren, unterdrückt sein müssten.
Allerdings ist es möglich, den supraleitenden Proximityeffekt in Nichtgleichgewichtssituationen auf dem Dot zu induzieren.
Zunächst untersuchen wir ein System, das aus einem Quantenpunkt besteht, der an eine normale-, eine ferromagnetische- und eine supraleitende Zuleitung gekoppelt ist.
Im Limes einer unendlich großen Energielücke des Supraleiters wird die Kopplung zum Supraleiter durch die vorgestellte Theorie exakt beschrieben.
In diesem Limes formieren sich Andreev-gebundene Zustände (ABS), die es erlauben, einen Spinstrom, der durch keinen Ladungsstrom begleitet wird, zu generieren.
Als nächstes führen wir, ausgehend vom Limes unendlich großer Energielücken, eine Störungsentwicklung des Gaps um unendlich durch. Anhand der Josephson- und Andreevströme überprüfen wir, wie gut die Vorhersagen der Rechnungen im Limes unendlich großer Energielücken für reale Systeme mit kleinen Energielücken sind.
Wir finden Hinweise auf eine Renormierung der ABS und stellen einen Resummationsansatz vor, der es erlaubt, die ABS für eine endliche Energielücke abzuschätzen.
Da abgesehen von der Renormierung die Änderungen der Ströme relativ klein sind, folgern wir, dass mit den Rechnungen im Limes unendlich großer Gaps auch für Systeme mit endlichen Gaps verlässliche Vorhersagen getroffen werden können.
Neben den endlichen Gaps ist es auch möglich, Renormierungen durch die Kopplung des Quantenpunkts an eine normale Zuleitung herbeizuführen.
Um diese zu untersuchen, berechnen wir die Korrekturen, die sich durch die Kopplung an die normale Zuleitung ergeben und identifizieren Renormierungen der 0-Pi-Übergänge des Josephsonstroms, der Extrema des Andreevstroms und der gemittelten Ladung auf dem Quantenpunkt.
In unserer letzten Arbeit betrachten wir ein hybrides System, bestehend aus einem p-dotierten Halbleiter, der sich an einer Grenzfläche zu einem Supraleiter befindet.
Dieses System untersuchen wir auf mögliche Andreevreflexionen von leichten- und schweren Löchern für beliebige Injektionswinkel.
Dazu lösen wir die Bogoliubov-de Gennes-Gleichung für ein 6 mal 6-Kane-Modell und entdecken, dass sowohl leichte Löcher, wie auch schwere Löcher Andreev reflektiert werden und dabei auch ineinander umgewandelt werden können.
Es stellt sich heraus, dass senkrecht injizierte schwere Löcher nicht Andreev reflektiert werden können, und dass es zweierlei kritische Winkel gibt.
Einen kritischen Winkel für umwandlungsfreie Andreevreflexionen und einen kritischen Winkel, oberhalb dem schwere Löcher nicht mehr in leichte Löcher umgewandelt werden können
Improving the Quality of Instruction for Egyptian Science Classes: Developing and Evaluating a Teaching Program for Middle School Students
No full textPädagogen und Bildungspolitiker des ägyptischen Bildungssystems wünschen sich eine zukünftige Ausrichtung des schulischen Lernens auf das Konzept der Scientific Inquiry und die Vermittlung von Fähigkeiten zur Problemlösung. Das Hauptziel der vorliegenden Studie ist die Entwicklung und Evaluation eines naturwissenschaftlichen Lehrkonzepts für die siebte Klasse der ägyptischen Mittelschule. Es zielt auf die Förderung problemlösender Fähigkeiten, experimentellen Strategiewissens und die Steigerung des Lernzuwachses. Zusätzlich soll es bei Schülerinnen und Schülern zu einer Sensibilisierung für die Wahrnehmung der Qualität naturwissenschaftlicher Unterrichtsstunden beitragen und ihre Motivation in den naturwissenschaftlichen Fächern steigern.
Ausgehend von zwei bewährten Modellen der Problemlösung (Klahr & Dunbar, 1988; Oser & Baeriswyl, 2001) wurde als Grundlage für ein Lehrkonzept ein Modell für Problemlöseprozesse im Physikunterricht entwickelt. Das Lehrkonzept besteht aus fünf Doppelstunden zum Thema „Dichte und Auftrieb“. Es wurden sechs Testinstrumente eingesetzt, um problemlösende Fähigkeiten, das experimentelle Strategiewissen, die Steigerung des Lernzuwachses, die Wahrnehmung der Qualität naturwissenschaftlicher Unterrichtsstunden, die Motivation der Schülerinnen und Schüler im Physikunterricht und die Qualität des Unterrichts zu erfassen. Die Instrumente wurden teilweise selbst entwickelt und teilweise adaptiert (zum Teil deutsche Versionen von PISA & TIMSS). Dabei wurde eine Anpassung einzelner Testinstrumente an die Rahmenbedingungen im ägyptischen Schulsystem vorgenommen.
Alle Testinstrumente wurden vom Englischen bzw. Deutschen ins Arabische übersetzt; dabei wurde die Qualität der Übersetzungsprozesse kontrolliert. Im Zeitraum von September bis Oktober 2011 wurde eine Interventionsstudie unter Nutzung eines quasi-experimentellen Designs mit einer Pre-Post Testung durchgeführt (e.g. Shadish, Memphis, Dood & Evanston, 2002). Die Stichprobe umfasst N=147 SchülerInnen der Klasse 7 des Schuljahres 2011-2012 einer allgemeinen Mittelschule in Assuan. Die Interventionsgruppe besteht aus N=74 SchülerInnen (50% männlich), die Kontrollgruppe aus N=73 SchülerInnen (49,5% männlich). Beide Gruppen zeigen keinen signifikanten Unterschied bzgl. des Alters, der kognitiven Fähigkeiten, dem Hintergrund, dem Vorwissen und der Lehrqualität des Lehrers.
Bei der Kontroll- und Interventionsgruppe wurden zwei Verfahren angewandt: Die Interventionsgruppe wurde mit dem neu entwickelten Lehrkonzepts unterrichtet, während die Kontrollgruppe mit konventionellen Lehrmethoden unterrichtet wurde. Beide Gruppen wurden durch den Autor dieser Arbeit unterrichtet, der ausgebildeter Naturwissenschaftslehrer ist. Zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit und der Qualität des Unterrichts in beiden Gruppen, wurde zusätzlich ein Beobachtungsbogen durch einen zweiten Naturwissenschaftslehrer ausgefüllt (Clausen, 2002).
Die Studie wurde während einer sechswöchigen Einheit durchgeführt. Interventions- und Kontrollgruppe wurden im Hinblick auf den Lernzuwachs und die Motivation verglichen. Zur Datenanalyse wurde das Rasch-Modell und die klassische Testtheorie angewandt.
Bezüglich der genutzten abhängigen Variablen schneiden die SchülerInnen der Interventionsgruppe signifikant besser ab. Dabei zeigen sich kleine bis mittlere Effektstärken
(.1<r<.5 & .1<d<.8). Vor dem Hintergrund der kleinen Stichprobe ist die Generalisierbarkeit der Ergebnisse eingeschränkt. Trotzdem liefert diese Studie Hinweise auf ein effektives Lehrkonzept, dem in weiteren Forschungsarbeiten weiter nachgegangen werden sollte.Educators and policymakers envision the future of education in Egypt as enabling learners to acquire scientific inquiry and problem solving abilities. The main aim of this study is to develop and evaluate a science teaching program for Egyptian lower secondary school students to foster students’ problem solving abilities, experimental strategy knowledge, achievement, perceptions on the quality of science lessons, and motivation towards science.
The lesson plans of the teaching program were constructed based on an established model for problem solving, combining two models of problem solving (Klahr & Dunbar, 1988; Oser & Baeriswyl, 2001). The program itself consisted of five double lessons on the topic, “density and buoyancy”. Six instruments were applied to assess students’ problem solving abilities, experimental strategy knowledge, science achievement, perceptions on the quality of science lessons, motivation towards science and, finally, teachers’ quality of instruction. The instruments were partly self-developed and partly adapted to the school conditions in Egypt from newly performed studies on strategy knowledge and problem solving in Germany, and PISA and TIMSS tests.
All instruments had to be translated into Arabic from German or English; the translation process and the quality control were closely screened. From September to October 2011, an intervention study was conducted in a quasi-experimental design with pre- and post-testing (e.g. Shadish, Memphis, Dood & Evanston, 2002). The sample included n=147 seventh grade students in a general middle school in the city of Aswan, Egypt during the 2011-2012 school year. The intervention group consisted of 74 students (50% males), while the control group contained 73 students (49.5% males). Both groups showed no significant differences in age, cognitive abilities, social background, academic pre-knowledge and teachers’ quality of instruction.
Two treatments were used with the control and intervention group: the newly developed teaching program was used to teach the intervention group while the control group was taught according to regular teaching methods. Both groups were taught by the same teacher (the author, who is a qualified science teacher). To ensure the comparability and quality of teaching in both groups, a second science teacher filled in observer sheets (Clausen, 2002).
The study was conducted during a six week-long unit at a middle school in Egypt. Intervention and control group students were compared to determine differences in learning outcomes and motivation. The data were appropriately analyzed according to the Rasch model and classical test theory.
The results revealed that students in the intervention group performed significantly better with a small and medium effect size (.1<r<.5 & .1<d<.8) in the aforementioned dependent variables. Regarding the small sample size, the generalizability of results is limited. Nevertheless, the presented study provides evidence that this teaching program can be effective and encourages further research to confirm the presented results on a larger sample
Analysis of regulatory T-cells in heterologous virus infections
No full textIm ersten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, welchen Einfluss Treg-Zellen aus chronisch FV-infizierten Mäusen auf den Verlauf einer primären mCMV-Infektion haben. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass es durch die hohe Anzahl an FV-expandierten Treg-Zellen in der Milz von chronisch FV-infizierten Mäusen zu einer signifikanten Reduktion der mCMV-spezifischen CD8+ T-Zellantwort in der akuten mCMV-Infektion kam. Dieses Ergebnis zeigte, dass FV-expandierte Treg-Zellen die Immunantwort gegen ein nicht verwandtes Virus beeinflussen konnten. Es konnte jedoch nicht festgestellt werden, dass die erhöhte Anzahl Treg-Zellen in FV+mCMV-superinfizierten Mäusen einen Einfluss auf den mCMV-Titer hatte. Die Ergebnisse aus dem Peritoneum und der Leber bestätigten, dass der Effekt der Reduktion der mCMV-spezifischen T-Zellantwort organspezifisch und auf Regionen des Körpers begrenzt ist, in denen das FV-Virus repliziert und somit eine erhöhte Anzahl an Treg-Zellen vorhanden ist. Das Verhältnis an Treg-Zellen zu T-Zellen ist hierbei entscheidend, ob es zu einer Suppression von virusspezifischen Immunantworten kommt. Diese Ergebnisse zeigen somit erstmals, dass Treg-Zellen, aus einer chronischen retroviralen-Infektion, Immunantworten einer Herpesvirusinfektion beeinflussen und beschreiben hiermit einen bisher unbekannten Mechanismus in der heterologen Immunität.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, welchen Einfluss die primäre mCMV-Superinfektion auf eine chronische FV-Infektion hat. Eine primäre mCMV-Infektion hatte in chronisch FV-infizierten Mäusen eine gesteigerte Proliferation von Erythozyten-Vorläuferzellen, den Zielzellen von FV, zur Folge, was mit einem signifikant erhöhten FV-Titer korrelierte. Diese `Reaktivierung` der FV-Infektion ging mit einer signifikant gesteigerten FV-spezifischen CD8+ T-Zellantwort einher. Es zeigte sich zudem, dass FV-spezifische T-Zellen in FV+mCMV-superinfizierten Mäusen, im Gegensatz zu FV-spezifischen CD8+ T-Zellen aus chronisch FV-infizierten Mäusen, eine signifikant gesteigerte zytotoxische Aktivität aufwiesen. Die hohe Anzahl an Treg-Zellen in chronisch FV-infizierten Mäusen führte jedoch innerhalb von 14 Tagen nach primärer mCMV-Superinfektion zu einer erneuten Suppression von FV-spezifischen CD8+ T-Zellen. Die durch die primäre mCMV-Infektion induzierte Erhöhung an F-MuLV-bindenden Antikörpern trugen - neben der FV-spezifischen Immunantwort - dazu bei, den FV-Titer in der Milz signifikant zu reduzieren. Eine Eliminierung des FV konnte jedoch aufgrund der Treg-vermittelten Suppression von FV-spezifischen T-Zellantworten nicht erreicht werden.In the first part of this study we analyzed if Treg cells from chronically Friend Virus (FV)-infected mice influence immune responses against superinfection with the murine cytomegalovirus (mCMV). In summary, we could show that FV-expanded Treg cells significantly decreased mCMV-specific T cell responses during acute mCMV superinfection in chronically FV infected mice. This result showed that FV-expanded Treg cells influenced immune responses against superinfection with unrelated viruses. Despite these reduced mCMV-specific immune responses we did detected an influence of FV-expanded Treg cells on the mCMV titer. Results from peritoneum and liver confirmed that the reduction of mCMV-specific T cell responses was organ-specific and confined to regions in which FV replicates and enhanced numbers of FV-expanded Treg cells were found. We could also demonstrate that the ratio of Treg cells to T cells was crucial for suppression of virus-specific immune responses. All together, these results showed that Treg cells expanded during a chronic retrovirus infection influenced the immune response to a herpesvirus infection, this describes a new mechanism of heterologous immunity.
In the second part we analyzed the influence of a primary mCMV infection onto a chronic FV infection. We detected that a primary mCMV infection led to `reactivation` of FV resulting in transient functional FV-specific T cells in chronically FV infected mice. The enhanced numbers of functional FV-specific T cells contributed to lower FV titers in spleens of FV+mCMV superinfected mice. However, mCMV did not modulate the FV-expanded Treg cells. Therefore, these Treg cells were able to rapidly dampen the `newly` generated FV T cell responses.
For the first time we were able to show that Treg cells expanded in chronic virus infections played an important role during superinfection with unrelated viruses
Microfiltration membranes via electrospinning of polyethersulfone solutions
No full textNanofibers or nanowebs produced by electrospinning have several prominent properties such as high surface area to volume ratio, high porosity and pore size in nanorange. As the porosity of electrospun nanoweb is more than 90%, they are candidates for air filters and liquid filtration membranes. However, the application of electrospun nanofibers membranes has yet to make breakthrough in other avenues of separation than air filtration, especially in pressure-driven liquid separations, such as ultrafiltration (UF) or nanofiltration (NF).
In this project, the preparation of polyethersulfone (PES) membranes by electrospinning was studied. The influence of processing parameters, i.e., polymer concentration, applied voltage, flow rate, spinneret-to-collector distance, relative humidity, were investigated. The treatment of the proto-membrane formed by immersion in an aqueous coagulation bath was also studied. More comprehensive characterizations of the nanofiber membranes, including fiber diameter, pore size, porosity, thickness, basic weight and tensile strength as well as air and water permeability were investigated. Thereby, we expect that this work will open up the avenue toward the use of nanofibers for very important applications of separation technology. Of particular interest are membranes in water purification, e.g., pre-filters to minimize contaminations and fouling prior to ultra- or nano-filtration.
PES (Ultrason 6020P) was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) at concentrations of 9%, 15%, 22%. The polymer solution was electrospun under processing conditions i.e., a spinneret-to-collector distance of 10 cm, an applied voltage of 30 kV, a flow rate of 20 μL/min, and a spinneret diameter of 0.8 mm, stationary substrate set-up, aluminum foil and PET nonwoven served as the substrate. The first results showed that the 22% PES solution can be electrospun into well-defined nanofiber. The overall morphology of the membranes obtained is changed from a fiber network into spherical particles connected by fibers with the decrease of the polymer concentration in the solution used for
electrospinning. The properties of nanofiber can be measured on aluminum foil or PET nonwoven as substrate. Image analyses gave a mean fiber diameter of 489 ± 142 nm but under stationary spinning conditions that leads to a 3 dimensional fiber web on the substrate.
When the 22% PES solution was electrospun membrane using a moving substrate under processing conditions i.e., applied voltage of 18 kV, a spinneret-to-collector distance of 10 cm, a flow rate of 20 μL/min, a spinneret diameter of 0.8 mm, a speed of substrates moving of 2.2 cm/min, 65% RH and served the PET nonwoven as substrate, yielded a more planar and homogeneous membrane. The thickness of membrane was 200 μm. The image analyses gave a mean fiber diameter of 800 nm. However, the proto-membrane which had been treated by immersion into the water bath lead to a pronounced porosity on the nanofiber surface which will be useful, for instance, for increasing binding capacity to the fiber surface. In addition, the membranes which had been electrospun under processing condition at high humidity resulted in irregular fiber formation.
All test results for membranes showed that the fiber diameter and membrane structure and, consequently, membranes properties were clearly affected by applied voltage and spinneret-to-collector distance. The electrospun membrane was prepared by an applied voltage 18 kV at distance spinneret-to-collector of 10 cm, a flow rate of 20 μL/min, a spinneret diameter of 0.8 mm, a speed of substrates moving of 2.2 cm/min, 65% RH and served the PET nonwoven as substrate exhibited the pore size of 1.8 μm, the porosity of 93% and basic weight of 0.169 mg/cm2. All membranes showed similar and high contact angle. The electrospun membranes prepared by applying higher voltage have lower flux than membranes prepared with lower voltage. The electrospun membranes which were prepared by increasing distance between spinneret-to-collector (kept other conditions) exhibited high water flux and clear correlation between structure and performance that decreasing of mean pore size leads to decreasing water flux of electrospun membranes. However the results suggested that PES electrospun nanofiber membranes are excellent materials for high water flux MF applications.
Regarding nitrogen gas flow through electrospun membranes, the membranes which were prepared by increasing applied voltage showed decreasing gas permeability. Moreover with the DEHS aerosol, with particles size of 400 - 1000 nm, filtration performance of electrospun nanofiber web was much greater than that of the 4 layers commercial nonwoven (Novatexx 2429) with pore size of 8 μm. This result clearly demonstrated the potential of electrospun nanofiber in the development of filter material against aerosol nanoparticles.
The filtrate fluxes of commercial membrane (Membrana MicroPES; pore size 1 μm) was much smaller than the filtrate fluxes of PES electrospun membrane with pore size ranging between 1.7 - 4.5 μm. Overall, PES electrospun membrane showed greater water flux than commercial membrane both before and after separation of silica nanoparticles
(size 35 nm). The water flux before separation of all membrane was higher than after silica nanoparticles separation. The PES electrospun membranes had higher particles rejection than PES commercial membrane. Besides, the rejection of electrospun membranes was well above 90%, while commercial membrane rejected the nanoparticles by only 85% in the beginning of the filtration. Moreover, the PES electrospun membranes exhibited the rejection above 98% at the end of rejection experiment run. Such the results showed, electrospun nanofiber PES membranes can be used in various applications such as removal of nano or microparticles from waste-water, e.g., pre-filters to minimize contaminations and fouling prior to UF or NF
Analysis of the cytotoxic CD4 T cell response to the acute and chronic friends retrovirus infection
No full textCD4+ T-Zellen sind ein wichtiger Bestandteil der antiviralen Immunantwort und werden über ihre Helferfunktion definiert und charakterisiert. Auch bei der FVInfektion wurde gezeigt, dass CD4+ T-Zellen in der akuten Infektion expandieren. In der letzten Zeit wurden zunehmend Ergebnisse publiziert, die belegen, dass diese Zellen auch eine zytotoxische Funktion erfüllen können. Die Frage, ob CD4+ T-Zellen
ein zytotoxisches Potential im FV Model besitzen und wie diese Funktion von anderen Zellen des Immunsystems reguliert wird, ist von großer Bedeutung. Dies gilt besonderes deshalb, weil zunehmend klar wird, dass die Population der antigenspezifischen zytotoxischen CD8+ T-Zellen bei vielen chronischen Infektionen ihre Funktionalität verliert und somit andere Zellen ihre Funktion übernehmen müssen. Anhand der Tetramer Technologie war es möglich FV spezifische CD4+ T-Zellen nach FV Infektion zu detektieren und diese für die nachfolgende funktionelle Analyse weiter zu charakterisieren. Während der akuten Infektion expandieren CD4+ T-Zellen und produzieren proinflammatorische Zytokine, wie IFN-y oder IL-2. Nur wenige CD4+ T-Zellen produzierten das zytotoxische Molekül Granzym B. Um die hemmende Wirkung von regulatorischen CD4+ T-Zellen (Tregs) und CD8+ Effektorzellen auf Differenzierung und Funktionalität von zytotoxischen CD4+ TZellen
zu definieren, wurden diese Zellpopulationen depletiert. Es zeigte sich, dass in Abwesenheit von Tregs der Anteil FV spezifischer CD4+-und Effektor CD4+ T-Zellen signifikant erhöht war. Außerdem produzierten die CD4+ T-Zellen deutlich mehr Effektorzytokine. Die alleinige Depletion der CD8+ T-Zellen hatte in der akuten FV Infektion keinen positiven Effekt auf die Funktionalität der CD4+ T-Zellen. Die kombinierte Depletion von Tregs und CD8+ T-Zellen hatte hingegen besonders in Bezug auf die Expression von GzmB und die Zytotoxizität von CD4+ T-Zellen einen
fördernden Einfluss. Die Zytotoxizität konnte durch ko-stimulatorische Rezeptoren (CD137) verstärkt werden, was vor allem in Abwesenheit von CD8+ T-Zellen deutlich wurde. In der chronischen Infektion, welche sich durch eine konstant niedrige Viruslast und eine dysfunktionale CD8+ T-Zellpopulation auszeichnet, konnte nur eine geringe Funktionalität von CD4+ T-Zellen beobachtet werden. Die Depletion von Tregs führte
zu einer deutlichen Steigerung dieser Funktionalität. So konnte die Effektorfunktion, gemessen anhand der Zytokinexpression, sowie der Produktion von zytotoxischen Molekülen deutlich gesteigert werden.
Diese Ergebnisse zeigen, dass das zytotoxische Potential von Effektor CD4+ TZellen in der FV Infektion von CD8+ T-Zellen und Tregs beeinflusst wird. Die Induktion von zytotoxischen CD4+ Effektorzellen könnte einen erfolgversprechenden Ansatz für die zukünftiger Therapie chronischer Viruserkrankungen darstellen.CD4+ T-cells are an integral part of the antiviral immune response and are defined and characterized by their helper function. As in other infection models, it was shown for the FV-Infection that CD4+ T-cells expand during the acute phase of infection. An increasing amount of recent publications shows that these cells have an additional cytotoxic function. The question if CD4+ T-cells indeed have a cytotoxic function in the FV-infection and how this function is controlled by other cells of the immune system is of major importance. Especially because it becomes more and more clear that cytotoxic CD8+ T-cells lose functionality during the chronic phase of infection and therefore other cells need to take over this function. By using the tetramer technology it was possible to detect FV specific CD4+ T-cells and to characterize them for the following analysis. CD4+ T-cells expand during the acute phase of infection and produce proinflammatory cytokines like IFN-y or IL-2. Only few CD4+ T-cells produced the cytotoxic molecule Granzym B. To define the
inhibitory function of Tregs and CD8+ T-cells on the differentiation and functionality of cytotoxic CD4+ T-cells, these cell populations were depleted. In the absence of Tregs the amount of FV-specific- and effector CD4+ T-cells increased significantly. In addition the amount of cytokines produced by CD4+ T-cells was increased. Single depletion of CD8+ T-cells did not have any positive effect on the functionality of CD4+ T-cells. In contrast double depletion of Tregs and CD8+ T-cells did have a positive
effect on the functionality of CD4+ T-cells, particularly on the expression of GzmB and cytotoxicity. Beyond that, the cytotoxicity was increased by co-stimulatory receptors (CD137) especially in the absence of CD8+ T-cells.
In the chronic Infection, which is characterized by a constantly low level of virus load and a dysfunctional CD8+ T-cell population, only low functional CD4+ T-cells were observed. Depletion of Tregs clearly increased the functionality of CD4+ T-cells. The effector function characterized by the expression of cytokines as well as the
production of cytotoxic molecules was increased considerably.
These results show thet the cytotoxic potential of effector CD4+ T-cells in the FVinfection is affected by Tregs and CD8+ T-cells. The induction of cytotoxic effector CD4+ T-cells might be a promising strategy for the therapy of chronic viral infections