3383 research outputs found
Sort by
Der Einfluss von Lifestylefaktoren auf die Prognose des Mammakarzinoms
No full textZugriff auf den Volltext ist gesperrt, neue Version unter DuEPublico-ID 47981
Lifestylefaktoren und deren Einfluss auf diverse Erkrankungen und Erkrankungsverläufe sind derzeit ein wichtiges Thema in unserer Gesellschaft und werden es mit Sicherheit auch in Zukunft bleiben. Ebenfalls von erheblicher gesellschaftlicher Bedeutung ist das Thema Brustkrebs, denn etwa jede achte Frau erkrankt im Laufe ihres Lebens daran. In dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit die ausgewählten Lifestylefaktoren die Prognose des Mammakarzinoms beeinflussen. Untersuchungsgrundlage bildet dabei eine umfassende Datenakquise bei 635 erstdiagnostizierten, nicht neoadjuvant therapierten und zum Zeitpunkt der Erstdiagnose im nicht metastasierten Stadium befindlichen Frauen.
Die wichtigsten Ergebnisse werden im Folgenden kurz zusammengefasst: Die zentrale Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass zwischen der Einnahme von Betablockern und dem Gesamtüberleben sowie auch dem rezidivfreien Überleben ein signifikanter Zusammenhang besteht. Patientinnen, die keine Betablocker einnehmen, weisen sowohl ein längeres Gesamtüberleben als auch ein längeres rezidivfreies Überleben auf. Ein weiteres, zwar nicht signifikantes, aber dennoch sehr interessantes Ergebnis ist außerdem das Resulat der Analysen hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen dem Body-Mass-Index (BMI) und dem rezidivfreien Überleben: Es zeichnet sich ab, dass die Patientinnen mit einem BMI ≤ 30 insgesamt ein längeres rezidivfreies Überleben haben als die Patientinnen, die einen BMI > 30 aufweisen und somit als adipös einzustufen sind. Weitere signifikante Ergebnisse zeigen sich in den durchgeführten Überlebenszeitanalysen, die am ehesten eine direkte Aussage hinsichtlich der Prognose des Mammakarzinoms zulassen, nicht.
Allerdings ergeben sich einige signifikante Zusammenhänge, die einen zumindest indirekten Einfluss auf die Prognose haben könnten beziehungsweise die Erstellung einer Art Profil dieser Frauen ermöglichen. Die Einnahme von Betablockern sowie auch ein BMI oberhalb von 30, die einen negativen Einfluss auf die Prognose des Mammakarzinoms haben, sind häufig bei Patientinnen in einem Alter über 60 Jahren, die sich in einem postmenopausalen Stadium befinden, festzustellen. Gleichzeitig sind diese Frauen häufiger Nichtraucher, trinken seltener Alkohol, nehmen häufiger Metformin ein und haben häufiger eine Hormonersatztherapie durchgeführt.
Insgesamt ist festzuhalten, dass in dieser Arbeit einige signifikante Einflüsse der Lifestylefaktoren auf die Prognose des Mammakarzinoms nachgewiesen werden können
1,1‘-Binaphthyl Based Bis- and Tris-Phosphoric Acids: Syntheses and Application as Fluorescent Chemosensors
No full textDie neuesten Fortschritte bei der Entwicklung von BINOL-basierten Rezeptoren und Organokatalysatoren zeigen, dass die Verwendung mehrerer BINOL-Einheiten eine wirksame Strategie für die Generierung von hoch stereoselektiven Systemen ist. Diese bi- und multidentaten Systeme verfügen nicht nur über zusätzliche chirale Untereinheiten, sondern auch zusätzliche funktionellen Gruppen (z.B. Hydroxy- oder Phosphatgruppen) für Host/Guest-bzw. Katalysator-Substrat-Interaktionen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden chirale BINOL-basierte Phosphorsäuren dargestellt und deren Applikation als Chemosensor untersucht. Der Einsatz von 1,1'-Binaphthyl-monoiodid und verschiedenen Linkern (Y oder Z) ermöglichte die direkte Umsetzung zu Bis- und sogar Tris-Phosphorsäuren. Mit diesem Ansatz wurden fünf Bis-1,1'-binaphthyl-phosphorsäuren (R,R)-1a/b/c/d/e und eine Tris-1,1'-Binaphthylphosphorsäure (R,R,R)-1f erfolgreich synthetisiert.
Die Untersuchung der Bisphosphorsäuren (R,R)-1a/b/c/d als Fluoreszenzsensoren demonstrierte die Selektivität von (R,R)-1d gegenüber Eisenionen (Fe3+), welche zu einem Fluoreszenzquenching führte. Zudem ermöglichte die chirale Eigenschaft der Sensoren eine weitere Untersuchung der Interaktion zwischen Bisphosphorsäuren und dem Analyten mittels CD-Spektroskopie. Diese beiden spektroskopische Methoden (Fluoreszenz und CD) bieten einen dualen Erkennungsmodus für die Sensorapplikation.
In einem zweiten Projekt wurden Bis-/Tris-phosphorsäuren (1a-f) in Kombination mit Ni2 + oder Eu3 + als Fluoreszenzsensoren für chirale Bioanalyten (L-/D-Aminosäuren) angewendet. Hierfür wurde ein Fluoreszenzarray entwickelt, um Analyt-spezifische Fluoreszenzmuster zu generieren. Um die Datenauswertung zu vereinfachen und die Unterscheidungsfähigkeit des Fluoreszenzarrays einzuschätzen, wurden statistische Datenanalysen (PCA und LDA) implementiert. Das Ergebnis zeigte, dass der Array die Art der Aminosäure mit hoher Genauigkeit identifiziert, 99% für L-Aminosäuren und 98% für D-Aminosäuren. Die Fähigkeit des Arrays um 37 verschiedene L- und D-Aminosäuren in einem Satz zu diskriminieren, wurde als befriedigend empfunden, mit nur 93% Genauigkeit. Für diese Anwendung wäre die Einbindung des Enantiomerenpendants der Phosphorsäuren als zusätzliche Sensoren hilfreich.
Neben der Synthese von Bis-/Tris-binaphthylphosphorsäurediestern wurden auch die zugehörigen Phosphorsäuremonoester hergestellt. Die partielle Racemisierung des Binaphtyl-Rückgrats wurde während der Zyklisierung beobachtet, welche zur Bildung von Diastereomeren führte. Diese wurde durch spektroskopische und Röntgen-Kristall-Strukturanalysen bestätigt. Experimentelle und theoretische Studien mit einem Modellsubstrat zeigten, dass sowohl die Racemisierung als auch die Zyklisierung durch Säure katalysiert sind. Hierbei verlief die Zyklisierung schneller als die Racemisierung, da die Energiebarriere der Zyklisierungsreaktion geringer als die Racemisierung ist.
Am Ende dieser Arbeit konnten sechs Isomere von Phosphorsäuremonoestern erfolgreich isoliert und charakterisiert werden. Diese Phosphorsäuren sind die vielversprechenden Verbindungen für den Einsatz in der Katalyse und als Chemosensoren.
Das letzte Projekt war die Synthese von bis-1,1'-Binaphthylaminen zur Generierung von supramolekularen Doppelhelices. Eine modifizierte Syntheseroute, bei der Monoiodbinaphthyl-bis-carboxylsäuren verwendet wurden, wurde erfolgreich zur Herstellung von Monoiodallylamin (R)-86 eingesetzt. Dieser dient als der wesentliche Baustein, der mit verschiedenen Linkern für die Erzeugung von Bis-binaphthylaminen verknüpft werden kann.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde über neun Syntheseschritte ein Bis-binaphthylallylamin, verknüpft über einen 1,4-Ethinyl-benzol-Linker, erfolgreich hergestellt. Lediglich der letzte Entschützungsschritt fehlt, um das Endmolekül, das Bis-binaphthylamin zu erzielen. Die Paarung von Bis-binaphthylphosphorsäuren und Bis-binaphthylaminen wird in Zukunft neue Möglichkeiten bieten, komplementäre supramolekulare Doppelhelices zu bilden.The strategy for the synthesis of chiral bis-binaphthyl phosphoric acids involving the use of 1,1’-binaphthyl-monoidide and various linkers (Y or Z) allowed the straightforward synthesis of bis- and even tris-phosphoric acids. In the end, this synthetic approach led to the formation of five bis-1,1’-binaphthyl phosphoric acids (R,R)-1a to (R,R)-1e and one tris-1,1’-binaphthyl phosphoric acid (R,R,R)-1f.
The investigation of the sensing ability of the bis-phosphoric acids (R,R)-1a/b/c/d as fluorescence sensors demonstrated the selective sensing ability of (R,R)-1d towards ferric ions (Fe3+) which led to a fluorescence quenching. Based on the chiral nature of the sensors, we were also able to monitor the interaction of the bis-phosphoric acids with the analytes (metal ions) by CD spectroscopy. Both spectroscopic (fluorescence and CD) methods are providing a dual-mode detection for the sensing application.
In a second project, we applied the bis-/tris-phosphoric acids (1a-f) in combination with Ni2+ or Eu3+ as fluorescence sensors for chiral bioanalytes (L-/D-amino acids). An array-based fluorescence sensing was developed to generate analyte-specific fluorescence patterns and statistical data analyses (PCA and LDA) were implemented to simplify the data evaluation and to estimate the discrimination ability of the fluorescence array. The array showcased the capability to identify the type of amino acid with high accuracy, 99% and 98% for L- and D-amino acids respectively. The ability of the array to additionally discriminate the configuration of amino acids in a set of 37 different L- and D-amino acids -was found to be satisfying, albeit giving only 93% accuracy. For this approach, it might be helpful to include the enantio-counterparts of the phosphoric acids as additional sensors.
In addition to the synthesis of bis-/tris-binaphthyl phosphoric acid diesters, we were also able to furnish the related phosphoric acid monoesters. Partial racemization of the binaphthyl-backbone was observed during the cyclization process leading to a formation of diastereomers of the furane-annelated naphthols, which was confirmed by spectroscopic and X-ray crystal structure analyses. Additional experimental and theoretical studies using a model substrate proved that both racemization and cyclization processes are acid-catalyzed. Since the barrier of the cyclization reaction is lower than the racemization, the cyclization proceeded faster than the racemization.
This work successfully concluded an in-depth investigation of the cyclization and racemization mechanism as well as the isolation and characterization of all six isomeric phosphoric acid monoesters. These phosphoric acids are the highly promising compounds for further use in chemosensing and catalysis.
The modified synthetic route involving the use of mono-iodo binaphthyl bis-carboxylic acids was successfully applied to form the mono-iodo allylamine (R)-86. This serves as an essential building block which can be connected by various linkers for the generation of bis-binaphthyl-amines.
Within the scope of this work, we succeed the formation one bis-binaphthyl-amine with 1,4-ethinyl benzene linker in nine steps. Only the last deprotection step to yield the bis-binaphthyl-amine is still pending. In future, the combination of bis-binaphthyl-phosphoric acids and bis-binaphthyl-amines will provide new possibilities to build complimentary supramolecular double helices
Numerical and experimental investigation of laser-induced cavitation bubbles and induced damage
No full textCavitation has shown its destructive effects on hydro-machinery and has been investigated since last century. Cavitation induced damages have not been very well understood in bulk cavitation. For a better understanding of the cavitation and induced damage, investigations of a single bubble collapse are useful and logical. These investigations allow describing and quantifying the physics of the cavitation bubble collapse near a solid surface and its interaction with the surface material.
The generation of such single bubbles in the water using an electric spark or focused laser beam are well-known experimental methods, which were used in the past and systematic investigations of bubble dynamics near surfaces exist. However, only a few studies addressed the material damage induced by a single bubble collapse. For fluids and materials engineer, quantification of series of physical tests are necessary to have a better idea up to what extent a tiny cavitation bubble can severely induce damage on metals surface. Therefore, the objective of this dissertation is an experimental and numerical investigation of the collapse of a single collapsing cavitation bubble and induced damage on the aluminum surface.
This dissertation presents experiments generating single cavitation bubbles with 3 mm diameter in the water. Cavitation bubbles were generated at various defined relative wall distances to the polished commercially pure aluminum specimen surface. The relative wall distance is a ratio of the distance between the bubble enter to a maximum bubble radius. The collapse of each laser-induced cavitation bubble was captured using a high-speed camera by the backillumination method. A detailed quantitative analysis of the surface damage was performed using 3D profilometry. A single cavitation bubble collapse results in a shallow pit with an average depth of 1 - 3 micrometer. The overall statistics of damage parameters such as pit depth, width and volume found consistent with previous investigations. Some damages obtained were correlated with the corresponding bubble collapse sequences. The image sequences also helped to identify effects of the sample surface edge on collapsing dynamics.
Further, numerical investigations of the three-dimensional flow surrounding a collapsing laserinduced cavitation bubble with an initial radius of 1.45 mm were performed using two different numerical methods. The three-dimensional flow was captured by solving the Navier-Stokes equations. First method accounts for the multiphase flow (water and vapor), the Volume of Fluid (VoF) method was used. The source term of the phase transport equation of the VoF function was based on the Schnerr-Sauer cavitation model developed using the simplified Rayleigh-Plesset equation. The relative wall distance was varied ranging from 0.3 to 3.0. Computed collapse derivatives, impact velocity, impact pressure, and shape of the bubble, such as toroidal shapes of oval impacts agreed favorably to the experimental measurements.
In addition, numerical investigations were performed using the compressible, two-phase Navier-Stokes equations in an Euler-Euler approach with barotropic equations of state. The bubble collapses were compared with the experiments for shapes and collapsing times. The obtained flow characteristics near the surface, such as impact velocities and pressures were also discussed. Further, a microscopic bubble collapse near the surface was also investigated to compute collapse induced wall shear rate and flow around the collapsing bubble. The results of numerical simulations were compared with the existing experimental data. The comparisons have shown a good qualitative and quantitative agreement. Overall, this work gives broad insight towards the investigation of cavitation bubble and induced damage
Tailored Affinity Polymers as Catalysts for Autoproteolysis of Trypsin
No full textMonomer- und Polymersynthesen
Im Rahmen der Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Synthesen von verschiedenen Monomeren erfolgreich war. Die Monomer-Bibliothek wurde um insgesamt drei Monomere erweitert. Mit dem Adamantyl-Monomer 25 steht ein weiterer sehr hydrophober Baustein zur Verfügung, der besonders in kleinere Furchen passt. Das TREN-Monomer 26 ermöglicht die Komplexierung anionischer Liganden und das NBD-Monomer 27 dient als neuer Chromophor-Baustein.
Die Steigerung der Ausbeute für das NTA-Monomer 6 konnte nach allen Stufen knapp vervierfacht werden. So war es möglich nun 15.5 % Gesamtausbeute nach allen Stufen zu erreichen. Nach der Monomersynthese folgte die Darstellung von Polymeren zunächst über die im Arbeitskreis etablierte Technik der frei-radikalischen Polymerisation FRP. Diese Technik zeigte sich äußerst robust und lieferte vergleichbare Polymere aus verschiedenen Ansätzen. Die Reproduktion von Polymeren war mithilfe dieser Technik möglich. Der Nachteil dieser Reaktionstechnik ist die fehlende Einstellbarkeit der Polymerlänge und damit auch der Molekularmassenverteilung (PDI 1.35-2.15).
In einem weiteren Projekt wurde eine kontrolliert-radikalische Polymerisationstechnik etabliert. Hierbei handelte es sich um die Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP), die eine bessere Kontrolle über die Polymerisationsbedingungen liefert. Allerdings wird bei der klassischen ATRP ein Metallsalz, meist Kupferchlorid, als Katalysator verwendet. Dies macht jedoch die Polymerisation von anionischen Monomeren nahezu unmöglich, da diese das Metallsalz komplexieren und somit dem Katalysezyklus entziehen.
Um diesen Umstand zu umgehen, wurde eine andere Variante der ATRP eingesetzt. Bei der Photo-Electron-Transfer ATRP (PET-ATRP) werden anstatt von Metallsalzen photoaktive organische
Substanzen eingesetzt, die unter Lichteinstrahlung Radikale bilden, die die Polymerisation vorantreiben. Als erfolgreich dargestellter Photokatalysator, der in der Polymerisation eingesetzt werden konnte, ist Phenylphenothiazin zu nennen.
Die Polymerisationen waren erfolgreich und die dargestellten Polymere waren von ihren Eigenschaften nahezu identisch. Die Polydispersitätsindizes waren mit 1.14 bis 1.21 gering, sodass von einer kontrollierten Polymerisation gesprochen werden kann. Die Einstellung der Kettenlänge und damit des Molekulargewichts
war nur bedingt möglich, wofür unterschiedliche Ursachen gelten können. Da das verwendete Glas einen Teil der UV-Strahlen absorbieren kann, wurde eine andere Klasse von Photokatalysatoren dargestellt, die auf 5,10-Dihydrophenazin basieren. Die Polymerisationen mit diesen Photokatalysatoren war nun mit sichtbarem Licht möglich und lieferten gut reproduzierbare Polymere mit einer hervorragenden Kontrolle über die Polymerisation, was sich an den niedrigen PDI von 1.19 bis 1.21 zeigt.
Inhibition der Serinprotease Trypsin durch Polymere
Die Untersuchung der Trypsin-Inhibition erfolgte mit einem sehr robusten Testablauf, der mit unterschiedlichen Puffern und Puffer-Systemen ausgeführt werden kann. Die Assays zeigten das interessantes Phänomen der Substöchiometrie der Trypsin-Inhibition mit Polymeren. Die ermittelten IC50-Werte lagen deutlich unter der 1:1-Stöchiometrie. Dieser Effekt trat mit zunehmender Inkubationszeit verstärkt auf, die benötigte Stoffmenge an Polymer, welche nötig ist um 50 % der vorhandenen Enzyme zu inhibieren, nahm weiter ab.
Mithilfe der CD-Spektroskopie konnte belegt werden, dass Trypsin eine Konformationsänderung in Gegenwart von Polymer durchläuft. Innerhalb von fünf Minuten ist die charakteristische Trypsin-Bande verschwunden. Diese Konformationsänderung war auch bei der Trypsin-Inkubation ohne Polymer zu beobachten, allerdings zu wesentlich späteren Zeiten als mit Polymer (~30 min). Die Änderung der Konformation von Trypsin ist auf die autolytische Aktivität dessen zurückzuführen, es ist sein eigenes Substrat.
In weiteren Analyseverfahren wurde die Gelfiltration und Gelelektrophorese eingesetzt um, einen tieferen Einblick in die entstehenden Fragmente zu erhalten. Für die Gelfiltration war es zunächst unabdingbar, die geeigneten Elutionsbedingungen zu finden, mit der eine Auftrennung der Spaltprodukte möglich ist. Die Chromatogramme zeigten eine Abnahme der Signalintensität des Trypsin-Signals, während gleichzeitig die Intensität von Peptiden im Bereich von etwa 1 bis 12 kDa anstieg.
Die Gelelektrophorese (SDS-PAGE) lieferte ähnliche Ergebnisse. Sie zeigten eine deutliche Beschleunigung der Fragmentbildung in Gegenwart von Polymer. Aufgrund dessen kann auf eine Erhöhung der autokatalytischen Aktivität geschlossen werden, die durch das Polymer katalysiert wird. Die Ergebnisse der nativen Massenspektrometrie zeigen ebenfalls eine beschleunigte Autoproteolyse des Enzyms in Gegenwart von Polymer P1. Die isotherme Titrationskalorimetrie jedoch zeigte keine bestimmbare Wärmetönung einer Trypsinogen-Polymer-Komplexbildung. Alle analytischen Verfahren und Methoden deuten in dieselbe Richtung, dass das Polymer die lokale Konzentration von Trypsin erhöht und damit die Wahrscheinlichkeit der Substratfindung ebenfalls deutlich erhöht, sodass die Trypsin-Moleküle sich gegenseitig am Polymer hydrolysieren.A major complication in pancreatitis, ischemia and cardiac surgery is the enzymatic self-digestion of the gastrointestinal walls. Most digestive enzymes are serine proteases, thus can be generally blocked by unspecific inhibitors such as aprotinin. However, the downsides of such inhibitors are the need of a stoichiometric amount, and the unwanted side-effect to other enzymes (e.g. in blood clotting). An alternative substance class of selective serine protease inhibitors are high-affinity polymers, which carries amino acid-selective side chains. In comparison to the conventional serine protease inhibitors, these polymers show ability to recognize the surface of a given enzyme allowing a highly specific and, in some cases, particularly substoichiometric inhibition.
The aim of this thesis was to investigate such polymer-based enzyme specific inhibitors and the synthesis of more precise high-affinity polymers via controlled polymerization protocols. The special scope laid on Trypsin due to its ability to activate the other pancreatic digestive enzymes. Syntheses of monomers and polymers Within the scope of this thesis the successful synthesis of different monomers could be shown allowing an expansion of existing library by additional three monomers. The Adamantyl monomer 25 is a highly hydrophobic building block that particularly suitable for smaller grooves. TREN monomer 26 enables the complexation of anionic ligands and NBD monomer 27 serves as a new chromophore building block.
A modification of the synthetic procedure for the NTA monomer
increased the overall yield by a factor of four resulted in 15.5% yield of final compound. The polymer syntheses were carried out using the well-established technique of free radical Polymerization (FRP). This technique was extremely robust, the different batches were comparable to their chemical and physical properties. The disadvantage of this reaction type is the lack of adjustability of polymer length and molecular mass distribution leads to higher polydispersity indices (PDI 1.35-2.15).
To overcome the disadvantage of FRP a controlled radical polymerization technique was established in another project. The so-called Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) provides a better control over the polymerization conditions, which is crucial for low PDI and adjustment of polymer length. However, the use of metal catalyst (e.g. cooper chloride) in classical ATRP is not applicable for a polymerization of anionic monomers due to the formation of metal-monomer complexes. Therefore, another variant of ATRP, the photo-electron transfer ATRP (PET-ATRP) was use for the polymerization. This method employs photoactive organic substances instead of metal salts to form radicals under light irradiation hence promote the polymerization. An example of such catalysts, the 10-phenylphenothiazine and 5,10-dihydrophenazine, could be successfully synthesized and employed for polymerization.
The polymers catalyzed by 10-phenylphenothiazine shown almost identical properties, giving rather low PDI between 1.14 to 1.21, so that a controlled polymerization can be mentioned. The other class of photocatalysts based on 5,10-dihydrophenazine allowed polymerization with visible light and proved highly reproducible polymers with excellent control, as evidenced by the low PDI of 1.19 to 1.21.
Inhibition of protease Trypsin by polymers
The trypsin inhibition was investigated using a very robust test procedure that can be performed with various buffers and buffer systems. The assays showed the interesting phenomenon of substoichiometric trypsin inhibition with polymers. This effect increased with longer incubation time and the amount of
polymer required to inhibit 50 % of the existing enzymes decreased further. CD spectroscopy has shown that trypsin undergoes a conformational change in the presence of polymer.
Within five minutes, the characteristic cotton bands of trypsin was no longer observable. Furthermore, this conformational change was also detected in trypsin incubation without polymer, however later than the sample with polymer (~30 min). The change in the conformation of trypsin is due to its autolytic activity.
In further analytical studies/experiments by gel filtration and gel electrophoresis were approached to obtain a deeper insight into the resulting fragments. For gel filtration, it was initially essential to find the appropriate elution conditions with which the cleavage products could be separated. The chromatograms showed a decrease in the signal intensity of the trypsin signal, while at the same time the intensity of peptides increased in the range of about 1 to 12 kDa.
Gel electrophoresis (SDS-PAGE) provided comparable results featuring a significant acceleration of fragment formation in the presence of polymer. This leads to an increase in the autocatalytic activity catalyzed by the polymer. As a result, all experiments pointed in the same conclusion: The polymer enhances the local concentration of trypsin thus significantly increases the probability of finding the substrates. This situation supports the self-hydrolyzation of trypsin molecules on the polymer surface
Untersuchung der Sorptionseigenschaften von Kohlenstoffnanomaterialien mittels gepackter Säulen und inverser Flüssigkeitschromatographie
No full textSorption studies on carbon-based materials and carbon-based nanomaterials (CNMs) like multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) are typically conducted using batch experiments. This experimental approach is simple to perform and gives reliable results for most sorbates. However, weakly sorbing compounds may be challenging due to a limited sorbent to solution ratio. Here, column chromatography using sorbent packed columns for the determination of sorption data like distribution coefficients (Kd) can be a promising complementary approach offering significantly higher sorbent to solution ratios enabling the analysis of weakly sorbing compounds. This approach was already used for sorption studies on soils. Mandatory for this experimental approach is a non-retarded tracer, showing no interaction with the sorbent material as this is necessary as reference point for the calculation of Kd values. Furthermore, reversible sorption using pulse injection of the investigated sorbates is mandatory as otherwise no sorption data could be calculated. To this end, this thesis aims at the investigation of the suitability of column chromatography for sorption studies on CNMs and especially MWCNTs for weakly sorbing compounds. Adaptation and modification of a method from literature originally developed for soil materials allowed the reproducible packing of stable columns. Main characteristics of packed columns like porosity and bulk density varied by less than 3 % relative standard deviation. Heavy water (D2O) could be identified as only suitable non-retarded tracer after typically used tracers like inorganic anions (e.g. nitrite) showed significant sorption depending on applied eluent conditions regarding ionic strength. The influence of a broad range of environmental conditions (pH, ionic strength, and temperature) was successfully studied on sorption of inorganic compounds (initially expected to be useful non-retarded tracers) and organic compounds to MWCNTs. Heterocyclic organic compounds like pyrazole were hardly studied in literature and weak sorption was expected from prediction models. It could be shown that environmental conditions can strongly influence sorption. Sorption reduced with increasing temperature indicating an exothermic process and the contribution of H-bonding to overall sorption. Ionic strength strongly affected sorption of inorganic anions while the effect on organic sorbates was lower. Sorption of for example iodide was reduced by 90 % or completely suppressed for bromide and nitrite when increasing NaCl concentration from 1 to 100 mM. A key factor in sorption of inorganic and organic sorbates was the pH value as it was previously shown in literature for selected compounds using batch experiments. Electrostatic attraction of negatively charged inorganic anions to the oppositely charged sorbent surface at pH 3 increased sorption about factor ten compared to electrostatic repulsion conditions at pH 9. For ionizable organic compounds of this study (e.g. pyridine or imidazole) electrostatic repulsion was observed at pH 3 due to the similar positive charges of sorbent and sorbate reducing sorption by 80 % compared to pH 9 where the sorbates were not charged. Therefore, electrostatic interactions can increase or reduce, but not prevent sorption. Other sorbent materials than MWCNTs like functionalized MWCNTs, graphene, graphite, and activated carbon could also be studied and compared regarding their sorption properties using the developed column chromatography method allowing the comparison of sorbent materials and effects of for example the surface modification of MWCNTs comparable to batch experiments with strongly reduced sorbent demand.
Consequently, this thesis demonstrates that column chromatography is suitable as complementary technique in sorption studies for carbon-based materials and nanomaterials to study sorption of weakly sorbing compounds and the influence of environmental conditions on their sorption as well as the comparison of different sorbent materials. Relationships and trends regarding the influence of environmental conditions or material modifications observed using batch experiments could also be confirmed using column chromatography and extended to other sorbates. Using column chromatography, time and sorbent material demand for isotherm determination could be reduced and the automation potential increased showing the benefits of this methodology compared to batch experiments. In future, column chromatography and its benefits can be used for example in studies using plastic materials as sorbent material investigating the influence of these materials on sorption in soils and the aqueous environment.Sorptionsuntersuchungen an kohlenstoffbasierten Materialien sowie an kohlenstoffbasierten Nanomaterialien (CNMs) wie mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) werden typischerweise in Batchversuchen durchgeführt. Dieser experimentelle Ansatz ist einfach durchführbar und es können verlässliche Ergebnisse für viele Sorbate erzielt werden. Bei diesem experimentellen Ansatz können schwach sorbierende Verbindungen eine Herausforderung darstellen, da das Sorbens zu Lösungsverhältnis begrenzt ist. In diesen Fällen kann die Säulenchromatographie bzw. inverse Flüssigkeitschromatographie einen ergänzenden Ansatz darstellen, bei der mit dem zu untersuchenden Sorbens gepackte Säulen für die Bestimmung von Sorptionsdaten wie Verteilungskoeffizienten (Kd) genutzt werden. Durch deutlich höhere Sorbens zu Lösungsverhältnisse können so auch schwach sorbierende Verbindungen untersucht werden, was für Sorptionsuntersuchungen an Böden bereits genutzt wurde. Grundvoraussetzung ist für diesen experimentellen Ansatz ein nicht-sorbierender Tracer, für den keine Sorption am zu untersuchenden Sorbensmaterial beobachtet wird und als Referenzpunkt für die Berechnung von Kd Werten herangezogen wird. Des Weiteren ist eine reversible Sorption des Sorbates am Sorbens eine Voraussetzung, wenn ein Puls des zu untersuchenden Sorbates in die Säule injiziert wird, da sonst keine Sorptionsdaten berechnet werden können. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit die Säulenchromatographie auf ihre Anwendbarkeit für Sorptionsuntersuchungen an CNMs und im Besonderen MWCNTs für schwach sorbierende Verbindungen zu untersuchen. Eine Methode aus der Literatur, die ursprünglich für Bodenmaterialien und zum Packen stabiler Säulen erfolgreich eingesetzt wurde, wurde in dieser Arbeit adaptiert und modifiziert. Wichtige Charakteristika der mit der modifizierten Methode gepackten Säulen wie Porosität und Schüttdichte hatten eine Standardabweichung von weniger als 3 %, was eine gute Reproduzierbarkeit der Packmethode aufzeigt. Als nicht-sorbierender Tracer wurde schweres Wasser (D2O) identifiziert, nachdem andere typischerweise in der Literatur genutzte Tracer wie Nitrit je nach vorliegenden Umweltbedingungen eine deutliche Sorption an MWCNTs aufwiesen. Heterozyklische organische Verbindungen wie Pyrazol wurden bisher wenig auf ihre Sorption an CNMs bzw. MWCNTs untersucht, was auch an einer schwachen zu erwartenden Sorption liegen kann. Die Umweltbedingungen (pH, Ionenstärke, Temperatur) beeinflussten die Sorption von anorganischen und organischen Verbindungen an MWCNTs stark. Die Sorption verringerte sich mit steigender Temperatur, was auf einen exothermen Prozess und die Beteiligung von Wasserstoffbrücken hindeutete. Die Ionenstärke beeinflusste die Sorption anorganischer Verbindungen stark, während der Einfluss bei organischen Verbindungen geringer war. Die Sorption von Iodid wurde um 90 % reduziert oder für Bromid und Nitrit komplett unterdrückt, wenn die Konzentration von NaCl im Eluenten von 1 auf 100 mM erhöht wurde. Ein wichtiger Faktor für die Sorption anorganischer und organischer Verbindungen war der pH-Wert, wie es in Batchversuchen in der Literatur für bestimmte Verbindungen bereits gezeigt wurde. Elektrostatische Anziehung von anorganischen Anionen zur gegensätzlich geladenen Oberfläche des Sorbens bei pH 3 erhöhte die Sorption um eine Größenordnung im Vergleich zu elektrostatischen Abstoßung bei pH 9. Für ionisierbare organische Verbindungen (z.B. Pyridin oder Imidazol) wurde durch elektrostatische Abstoßung bei pH 3 durch gleiche Ladung von Sorbat und Sorbens die Sorption um 80 % im Vergleich zu pH 9, bei dem die Sorbate ungeladen vorlagen, reduziert. Somit können elektrostatische Wechselwirkungen die Sorption verstärken oder verringern aber im untersuchten Bereich nicht komplett unterdrücken. Andere Sorbentien wie funktionalisierte MWCNTs, Graphen, Graphit oder Aktivkohle können ebenfalls mit der erarbeiteten Methode untersucht und hinsichtlich ihrer Sorptionseigenschaften verglichen werden. So konnte zum Beispiel der Effekt einer Oberflächenmodifikation von MWCNTs mit deutlich verringertem Sorbensbedarf aufgezeigt und vergleichbare Ergebnisse zu Ergebnissen aus Batchversuchen erzielt werden. Zusammenfassend konnte durch diese Arbeit gezeigt werden, dass die Säulenchromatographie als ergänzender Ansatz zu Batchversuchen für Sorptionsuntersuchungen auch für kohlenstoffbasierte Materialien und CNMs bezüglich schwach sorbierender Verbindungen einsetzbar ist, der Einfluss von Umweltbedingungen auf die Sorption aufgezeigt werden kann und der Vergleich von kohlenstoffbasierten Sorbentien möglich ist. Zusammenhänge und Trends bezüglich des Einflusses von Umweltbedingungen oder Veränderung der Sorbensoberfläche aus Batchversuchen in der Literatur konnten auch mit der Säulenchromatographie bestätigt und um weitere, bisher wenig bis kaum untersuchte Sorbate erweitert werden. Der Zeitaufwand und Sorbensbedarf zur Bestimmung von Sorptionsisothermen können durch die Säulenchromatographie reduziert werden und auch die Automatisierbarkeit erhöht werden, was die Vorteile dieses experimentellen Ansatzes im Vergleich zu Batchversuchen aufzeigt. In der Zukunft können diese Vorteile z. B. in Sorptionsuntersuchungen an Plastikmaterialien als Sorbens genutzt und der Einfluss dieser Materialien auf die Sorption in Böden und der aquatischen Umwelt untersucht werden
Therapie von Patienten mit paroxysmaler nächtlicher Hämoglobinurie (PNH) mit Eculizumab
No full textDie paroxysmale nächtliche Hämoglobinurie (PNH) ist eine seltene, erworbene Erkrankung der hämatopoetischen Stammzellen. PNH Erythrozyten zeigen aufgrund des Fehlens GPI-verankerter komplementregulierender Oberflächenproteine eine erhöhte Anfälligkeit gegenüber Komplement und der so vermittelten Hämolyse. Der monoklonale Antikörper Eculizumab, der gegen die Konvertase C5 gerichtet ist, kann die terminale Komplementkaskade blockieren. In zwei unfangreichen Studien konnte Eculizumab seine Wirksamkeit und Verträglichkeit zeigen. Die vorliegende retrospektive Studie sollte weiterführende Daten über die bisherigen klinischen Untersuchungen liefern, die über die bereits publizierten Ergebnisse hinaus gehen.
Hierzu wurden retrospektiv Patientendaten von 32 PNH Patienten ausgewertet, die zwischen den Jahren 2004 und 2010 mit einer medianen Therapiedauer von 29 Monaten in der Klinik für Hämatologie des Universitätsklinikums Essen mit Eculizumab therapiert wurden. Um die Wirkung des Medikaments zu beurteilen wurden mehrere verschiedene Hämolyseparameter, der Bedarf an Bluttransfusionen und die Ferritin Werte ausgewertet.
Wie in den bereits veröffentlichen Studien war das Medikament auch bei den von uns untersuchten Patienten weiterhin sehr gut verträglich. Es traten unter der Eculizumab Therapie keine neuen thromboembolischen Komplikationen oder Infektionen auf. Die Hämolyseparameter verbesserten sich bei der Mehrzahl der Patienten signifikant, dies zeigte sich beispielsweise durch einen Abfall der LDH Werte durchschnittlich um 86% und der Transfusionsbedarf für Erythrozytenkonzentrate nahm ab, oder konnten ganz eingestellt werden. Eculizumab ist demnach das wirksamste Therapeutikum in der Behandlung der PNH.
Übereinstimmend mit bisherigen Studien zeigte unsere Arbeit, dass Eculizumab als Goldstandard Therapeutikum bei der PNH anzusehen ist. Allerdings sollte dieses Medikament in spezialisierten Zentren verabreicht werden, um je nach medizinischer Vorgeschichte oder möglichen neuen Komplikationen die Therapie entsprechend anpassen zu können
Membranen zur Entfernung von Viren mittels Größenausschluss
No full textModern biopharmaceutical processes implement comprehensive virus clearance strategies to minimize the threat of viral contamination of drugs and ensure patient safety. Besides testing of source materials and the finally formulated drug, manufacturing processes based on mammalian cell lines are required by the regulatory agencies to include at least two dedicated orthogonal unit operations for the inactivation or removal of endogenous or adventitious viruses. Throughout the last three decades, size exclusion based virus filtration using porous membranes in dead-end mode has become an industry standard known for its reliability and robustness to clear viruses while not affecting product quality and allowing high product recovery.
Virus filtration membranes (VFMs) have complex porous structures capable of retaining small viruses such as parvoviruses having 18-24 nm in diameter by at least 99.99 % corresponding to a log10 reduction value (LRV) >= 4. At the same time, typical product molecules like monomeric IgG-type monoclonal antibodies, having diameters of 9-12 nm, need to be transmitted by more than 95 %. Exhibiting pore sizes (nominally 20 nm) within the same magnitude of both product and contaminant species renders the separation task that VFMs fulfil intensely sophisticated. For comparison, other size-based unit operations utilizing membranes, such as microfiltration, separate species differing by at least one order of magnitude in hydrodynamic diameter.
This high demand for selectivity renders the development and manufacturing of VFMs a challenging task. Besides the obligatory virus retention performance, the main application relevant performance characteristics of a VFM are the water/buffer permeability and the fouling robustness. From a material scientific perspective, these application characteristics are closely linked to the pore size distribution (PSD) in the separation-active layer (SAL), the pore size gradient (PSG) along the membrane thickness and the characteristics of the membrane surface.
In general, the present thesis focuses on method development and application of analytical techniques capable of determining structural membrane properties such as the PSD and PSG. Further, commercial and non-commercial VFMs are characterized by their virus retention performance and fouling robustness using representative virus models and feed streams.Particular attention is paid on relating membrane properties and application performances. Thereby, mechanistical concepts for the mode of operation are derived and discussed.Moderne biopharmazeutische Prozesse schließen eine umfassende Strategie zur Virusabreicherung ein, um die Gefahr von Viruskontaminationen von Arzneimitteln zu verringern und damit die Sicherheit von Patienten zu gewährleisten. Neben der Testung von Ausgangsmaterialien und der finalen Arznei, ist es für Herstellprozesse basierend auf Säugetierzelllinien von Behördenseite erforderlich, dass mindestens zwei orthogonale Prozessschritte für die Inaktivierung oder Abreicherung von endogenen bzw. zufälligen Viren implementiert sind. Über die letzten drei Dekaden hinweg hat sich die auf Größenausschluss basierende Virusfiltration unter Verwendung von porösen Membranen im Dead-End-Betrieb
als Industriestandard etabliert.
Membranen zur Virusfiltration bestehen aus komplexen porösen Strukturen, die in der Lage sind kleine Viren, wie das Parvovirus mit einem Durchmesser von 18-24 nm, mindestens zu 99.99 % abzureichern. Gleichzeitig ist eine Transmission von typischen Produktspezies, zu denen monoklonale Antikörper vom IgG-Typ gehören und Durchmesser von 9-12 nm aufweisen, von mehr als 95 % erforderlich. Aus diesen ähnlichen Größenordnungen resultiert eine besonders anspruchsvolle Trennaufgabe, die diese Membranen zu erfüllen haben.
Neben dem obligatorischen Virusrückhaltevermögen sind aus applikativer Sicht die Wasser- bzw. Pufferpermeabilität sowie die Robustheit gegenüber Verblockung die entscheidenden Eigenschaften von Membranen zur Virusfiltration. Aus materialwissenschaftlicher Perspektive sind diese Eigenschaften eng mit der Porengrößenverteilung in der trennaktiven Schicht, dem Porengrößengradienten entlang der Membrandicke sowie den Charakteristika der Membranoberfläche verbunden.
Im Allgemeinen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Methodenentwicklung sowie der Anwendung dieser Methoden zur Charakterisierung struktureller Membraneigenschaften wie der Porengrößenverteilung und dem Porengrößengradienten. Desweiteren wurde eine Auswahl kommerzieller sowie nicht-kommerzieller Membranen zur Virusfiltration hinsichtlich Virusrückhalt sowie Robustheit gegenüber Verblockung untersucht. Die so ermittelten applikativen Membraneigenschaften werden in der vorliegenden Arbeit ins Verhältnis zu den strukturellen Eigenschaften der Membranen gesetzt. Hieraus werden mechanistische Konzepte zur Wirkungsweise von Membranen zur Virusfiltration insbesondere bezüglich Verblockung und Virusrückhaltung abgeleitet und diskutiert
Untersuchung und Verbesserung ökotoxikologischer Modelle unter Berücksichtigung von Unsicherheiten
No full textThe problem of assessing the environmental risk of pesticides can be formulated as a robust feasibility problem: A pesticide is only approved by regulatory agencies of Germany and the entire European Union, if it causes no damage to the environment and man in any possible scenarios. Typically, experimental toxicity studies are used to construct a scenario based approximation of an uncertainty set. In doing so, the considered scenarios are possibly unrealistic, but they aim to represent the worst case. Thus, an overestimation of the
effects is accepted to be certain that all possible risks are covered.
We consider mechanistic models that do not only describe the effect of pesticides but also aim to explain the underlying processes. Such models may build a more realistic approximation of uncertainty set and thus be instrumental in assessing the risk. This allows the consideration of more complex scenarios. Currently, the use of the models is discussed but at most used in addition to conventional
standard tests in European risk assessment. One reason is that they are not well documented. There exists a large family of models differing in complexity as well as precision. Furthermore, there are no standardized model test scenarios, yet. Especially, it is not clear how trustworthy the predictions of the models as well as the models
themselves are. Mathematically, we consider parametrized systems of nonlinear differential equations and the complex interdependency of two associated problems. On the one hand, we have the inverse problem of identifying the model parameters. On the other hand,
we have the direct problem of predicting effects under varying environmental conditions. This step requires an in depth analysis of the discretization error (ordinary differential equations), extrapolation error (situations not covered by calibration), conceptual model error (situation not covered by model) and consequences of changes in parameter values (sensitivity and uncertainty analysis). Furthermore, the characterization of the physically sound parameters is in special interest in view of the construction of model test scenarios. Besides a realistic modeling, the solution of the model system (exact, approximate) and the choice of the initial values of the inverse problem play a prominent role. We study three different models in the main chapters that are connected by the aim of describing mechanistically the effect of active substances in the environment. The
first part deals with the unified framework of the model GUTS (General Unified Threshold model of Survival). This model is based on two different mortality hypotheses: stochastic death (SD) and individual tolerance (IT). The second and third part concentrate on models describing the sublethal effects of active substances on growth of the water plant Lemna. Although both models treat the same species and have the same objective, the models differ in concept and complexity.
The first model is a logistic growth model with an effective growth rate that is influenced by environmental conditions and dosage of a pesticide. The second model involves Dynamic Energy Budget theory (DEB) describing growth in terms of changing the energy budget in time. We analyze and quantify uncertainties and errors in the considered ecotoxicological models. Furthermore, we develop methodologies to reduce the uncertainties such that the prediction of the models is enhanced. Thus, this thesis provides a foundation for
the use of sophisticated mathematical models in environmental risk assessment of pesticides.Die Risikobewertung von Pestiziden in der Umwelt kann als robustes Zulässigkeitsproblem formuliert werden: Ein Pestizid wird nur dann von den regulatorischen Behörden Deutschlands und der gesamten Europäischen Union zugelassen, wenn kein Schaden für Mensch und Umwelt entsteht. Normalerweise werden zur Approximation der Unsicherheitsmenge experimentelle Toxizitätsstudien durchgeführt. Die dabei betrachteten Szenarien sind möglicherweise unrealistisch, aber sie repräsentieren den ungünstigsten Fall. Eine Überschätzung
möglicher Wirkungen wird also akzeptiert, um sicher zu gehen, dass alle möglichen Risiken betrachtet werden. Wir betrachten mechanistische Modelle, die nicht nur die Wirkung von Pestiziden
beschreiben, sondern die grundlegenden Prozesse erklären. Diese Modelle können eine realistischere Approximation der Unsicherheitsmenge bilden und sind daher hilfreich
in der Umweltrisikobewertung. Dies erlaubt die Betrachtung von komplexeren Szenarien. Zu dem jetzigen Zeitpunkt wird der Einsatz dieser Modelle in der Europäischen Risikobewertung diskutiert, jedoch meistens nur zusätzlich zur Standardtoxizitätsbewertung genutzt. Ein Grund dafür ist die schlechte Dokumentation der Modelle. Es existieren zahlreiche Modelle, die sich in der Komplexität als auch in der Genauigkeit unterscheiden. Ferner sind noch keine standardisierten Modelltestszenarien definiert. Vor allem ist nicht klar, ob und wie vertrauenswürdig die Vorhersagen der Modelle sind.
Mathematisch betrachten wir parametrische nichtlineare Differentialgleichungssysteme und das komplexe Zusammenspiel zweier verknüpfter Probleme. Zum einen haben wir das inverse Problem der Parameteridentifikation, zum anderen das direkte Problem der Vorhersage von Effekten unter variablen Umweltbedingungen. Dieser Schritt erfordert eine fundamentale Analyse der Diskretisierungsfehler (gewöhnliche Differentialgleichungen), der Extrapolationsfehler (Situationen, die von der Kalibrierung nicht abgesichert werden) sowie der konzeptionellen Modellfehler (Situationen, die nicht vom Modell abgesichert werden). Zudem analysieren wir die Auswirkungen von Änderungen in den Parameterwerten (Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse). Zusätzlich ist die Charakterisierung der Parameter von besonderem Interesse
bezüglich der Konstruktion von Modelltestszenarien. Neben einer realistischen Modellierung spielen die Lösung der Modellsysteme (exakt, annährend) und die Wahl der Startwerte des inversen Problems eine wichtige Rolle. Wir analysieren drei unterschiedliche Modelle in den Hauptkapiteln, die verbunden sind durch ein gemeinsames Ziel, nämlich die mechanistische Beschreibung der Wirkung von aktiven Substanzen in der Umwelt. Der erste Teil der Arbeit handelt von
dem verallgemeinerten Modell GUTS (General Unified Model of Survival). Dieses Modell charakterisiert die Überlebenswahrscheinlichkeit von Organismen anhand zweier Hypothesen: Stochastischer Tod (SD) und individuelle Toleranz (IT). Im zweiten und dritten Teil werden Modelle präsentiert, die die sublethale Wirkung von aktiven Substanzen auf das Wachstum derWasserpflanze Lemna erklären. Obwohl beide Modelle das gleiche Ziel haben und dieselbe Spezies modellieren, unterscheiden sie sich in Konzept und Komplexität. Das erste Modell beschreibt das logistische Wachstum der Lemna mit Hilfe der effektiven Wachstumsrate, die durch abiotische Umweltbedingungen und die Dosis des Pestizids beeinflusst wird. Das zweite Modell beruht auf der Dynamic Energy Budget Theorie (deb). Es stellt das Pflanzenwachstum mit Hilfe von sich in der Zeit ändernden Energiebilanzen dar. Wir untersuchen und quantifizieren die Unsicherheiten der betrachteten ökotoxikologischen
Modelle. Darüber hinaus haben wir Methoden entwickelt, um diese Unsicherheiten zu verringern, so dass sich die Vorhersagen der Modelle verbessern. Diese Arbeit stellt die Grundlage für die Anwendbarkeit von anspruchsvollen mathematischen Modellen in der Umweltrisikobewertung von Pestiziden dar
Erzeugung und Verwendung von Synthesegas in Verbrennungsmotoren
No full textDie aktuell in Deutschland vorherrschenden Klimaschutzziele sehen unter anderem eine Reduktion klimaschädlicher Treibhausgase, wie z.B. Kohlenstoffdioxid aber auch Me-than, um 80 bis 95 % vor. Ein in diesem Zusammenhang immer wieder als zukünftiger Energieträger diskutierter Brennstoff ist Wasserstoff. Da es auf der Erde jedoch keine natürlichen Wasserstoffvorkommen gibt, muss dieser stets durch die Elektrolyse von Wasser oder durch Reformierung sowie partielle Oxidation aus Kohlenwasserstoffen zu Synthesegas erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher die Möglichkeiten untersucht, Synthesegas zum einen im Verbrennungsmotor zu erzeugen und zum ande-ren auch als Brennstoff im Motor zu verwenden.
Bei der Erzeugung von Synthesegas im Motor durch partielle Oxidation wird auch Arbeit und Wärme produziert. Für die experimentellen Untersuchungen dieser soge-nannten Polygeneration wurde ein Einzylinder-Gasmotor bei sehr brennstoffreichen Verbrennungsluftverhältnissen mit Methan betrieben. Die Experimente wurden dabei sowohl im fremdgezündeten als auch im kompressionsgezündeten Betrieb durchgeführt, wobei letzterer durch eine Additivierung mit 5 Mol% n-Heptan unterstützt wurde. Im fremdgezündeten Betrieb konnte auf diese Weise bei einem Äquivalenzverhältnis von ϕ = 1,56 Synthesegas mit einem Anteil am Motorabgas von bis zu 16 Mol% erzeugt werden. Im kompressionsgezündeten Betrieb war eine Anfettung des Gemischs auf ein Äquivalenzverhältnis von ϕ = 2,29 bei einem produzierten Synthesegasanteil von bei-nahe 34 Mol% möglich. Dabei konnten bei beiden Brennverfahren deutliche Einflüsse des Äquivalenz-verhältnisses auf die Synthesegasproduktion festgestellt werden, wäh-rend eine Änderung der Ansaugtemperatur oder des Verdichtungsverhältnisses ver-gleichsweise geringe Auswirkungen hatte. Zusätzlich zur Synthesegaserzeugung produzierte der Gasmotor sowohl im fremd- als auch im kompressionsgezündeten Betrieb elektrische und thermische Leistung.
Die Experimente zur verbrennungsmotorischen Verwendung von Synthesegas wur-den an dem fremdgezündeten Einzylinder-Gasmotor eines Blockheizkraftwerks durchgeführt. Dabei wurde der Motorbetrieb hinsichtlich Leistung und Emissionen für unter-schiedliche Synthesegaszusammensetzungen bei variablem Verbrennungsluftverhältnis und Zündwinkel untersucht. Zunächst konnten bereits in der Literatur bekannte Auswir-kungen des Synthesegasbetriebs wie höhere Brennraumtemperaturen durch die hohe Brenngeschwindigkeit von Wasserstoff und die deutliche Abmagerungsfähigkeit des Gemischs durch die niedrige Mindestzündenergie bestätigt werden. Im Vergleich zum Serienzustand mit Erdgas als Brennstoff wurde bei einem Zündwinkel von -8 °KW, einem Luftverhältnis von etwa λ = 1,95 und einem Wasserstoffanteil von ca. 50 Vol.% ein Wirkungsgradzuwachs von 1%-Punkt bei erheblich reduzierten Stickstoffoxidemis-sionen auf bis zu 50 mg/m3 erreicht. Durch eine drehmomentoptimale Anpassung des Zündwinkels auf -20 °KW konnte der Motor zwar noch magerer betrieben werden, allerdings aufgrund der höheren Verbrennungstemperaturen durch die frühere Zündung ohne weiteren Stickstoffoxidemissionsvorteil
Assessment of the impact of deregulated signal transduction pathways on the radiotherapy response of non-small-cell lung cancer
Get PDFLungenkarzinome sind weltweit die häufigste Ursache für krebs-assoziierte Todesfälle. Histologisch werden verschiedene Subtypen unterschieden, wobei etwa 85 % als nicht-kleinzelliges Lungenkarzinom (non-small cell lung cancer, NSCLC) diagnostiziert werden. Eine gezielte Bestrahlung stellt neben der operativen Entfernung des Tumors sowie der systemischen Behandlung mit Chemotherapeutika eine wichtige Methode zur kurativen Behandlung von lokal-begrenzten sowie fortgeschrittenen Tumoren dar. Darüber hinaus wird auch in der palliativen Behandlung von NSCLC Bestrahlung eingesetzt. Allerdings entwickeln sich häufig nach einiger Zeit lokale oder systemische Rezidive. Neue Forschungsergebnisse ermöglichen inzwischen eine genauere Definition von Subtypen des NSCLC auf Basis von molekularen Biomarkern. Insbesondere die Aktivierung bestimmter Onkogene bzw. onkogener Signalwege spielt hier eine Rolle und führten zur erfolgreichen Etablierung von zielgerichteten Pharmakotherapien. Im Rahmen einer Bestrahlungstherapie werden derzeit molekulare Charakteristika der jeweiligen Tumore nicht systematisch berücksichtigt, obwohl individuelle Unterschiede in Bezug auf Ansprechraten bei Bestrahlungstherapien als Hinweis auf diskrepante molekulare Konstitutionen der Tumore gewertet werden können. Validierte Biomarker für eine Korrelation mit dem Ansprechen auf eine Strahlentherapie sind bisher jedoch nicht bekannt. Daher wurden Kombinationstherapien aus Bestrahlung und sensitivierender Chemotherapie eher empirisch entwickelt.
Es wird vermutet, dass ein besseres Verständnis von aberranten Signaltransduktionswegen, die die Strahlentherapieantwort modulieren, zur Entwicklung von spezifischeren, rationalen Behandlungsprotokollen, die Strahlentherapie mit zielgerichteter Pharmakotherapie kombinieren, beitragen kann. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit der Einfluss von ausgewählten Apoptose-Regulatoren, Onkogenen und Mediatoren von Signalwegen auf den Zelltod nach Bestrahlung im Rahmen eines begrenzten „screens“ untersucht.
Als eine erste Gruppe von potentiellen Biomarkern für eine Modulation der Strahlentherapieantwort wurden anti-apoptotische Mitglieder der BCL-2 Proteinfamilie identifiziert. Sowohl BCL-xL als auch MCL-1 vermittelten in A431 Zellen Resistenz gegenüber Bestrahlung. Dies zeigte sich zum einen an der Verminderung von strahlen-induziertem Zelltod nach stabiler Überexpression dieser Modulatoren. Zum anderen steigerte die Überexpression auch das klonogene Überleben der jeweiligen Zellen. Der modulierende Einfluss von BCL-xL auf die Strahlenresistenz konnte auch in Xenograft-Modellen in Mäusen nachgewiesen werden. Überraschenderweise war dieser Effekt jedoch nicht präferentiell auf die anti-apoptotische Funktion von BCL-xL und MCL-1 zurückzuführen, da Bestrahlung generell nur zu einer minimalen Steigerung der Apoptose führte. Da auch strahlen-induzierte Zellzyklus-Veränderungen durch BCL-xL kaum beeinflusst wurden, wurde vermutet, dass BCL-xL einen Einfluss auf die Reparatur von Desoxyribonukleinsäure (DNS)-Schäden haben könnte, die als direkte oder indirekte Folge einer Bestrahlung entstehen. Tatsächlich konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die BCL-xL-vermittelte Strahlenresistenz von der Funktionalität des Reparaturweges der homologen Rekombination (homologous recombination repair, HRR) abhängig war und die Überexpression von BCL-xL darüber hinaus zu einer gesteigerten Reparatur von DNS Doppelstrangbrüchen durch die alternative Endverknüpfung (alternative end-joining, alt-EJ) führte. Da dieser Reparaturweg sehr fehleranfällig ist, führte dies zu einem verstärkten Auftreten von Zellen mit Chromosomenaberrationen. Dies könnte in der weiteren Folge im Patienten dazu führen, dass Zellpopulationen entstehen, die einen resistenteren und aggressiveren Phänotyp aufweisen. Um dies zu verhindern, sollten Tumore, die eine Überexpression von anti-apoptotischen BCL-2 Familienmitgliedern aufweisen, mit einer Kombination aus Bestrahlung und zielgerichteten Medikamenten behandelt werden. Dass dies erfolgversprechend sein kann, konnte hier durch verschiedene Methoden gezeigt werden, bei denen BCL-xL und/oder MCL-1 genetisch bzw. funktionell antagonisiert wurden. Diese Methoden umfassten shRNA-vermittelte „knockdowns“, konditionale Überexpression des pro-apoptotischen Proteins BAK sowie die pharmakologische Behandlung von Zellen mit sogenannten „BH3-Mimetika“. Alle diese experimentellen Ansätze führten zu einer Sensitivierung von Lungenkrebszellen gegenüber Bestrahlung. In einem nächsten Schritt sollte dieses Konzept folglich auch klinisch im Rahmen von Studien untersucht werden. Dabei könnte eine Bestrahlungstherapie bei Tumoren, die eine erhöhte Expression von anti-apoptotischen BCL-2 Proteinen aufweisen, z.B. mit Navitoclax kombiniert werden.
Als zweiter potentieller Biomarker der Strahlentherapieantwort bei NSCLC konnte die Serin/Threonin Kinase RAF-1, ein essentielles Signaltransduktionsmolekül, identifiziert werden. In verschiedenen Experimenten führte die konditionale Aktivierung von RAF-1 zu einer signifikanten Verminderung des strahlen-induzierten Zelltods. Das klonogene Überleben in Abhängigkeit von RAF-1 Aktivierung konnte nicht eruiert werden, da bei dem verwendeten System eine permanent aktivierte RAF-1 Kinase das Koloniewachstum allgemein inhibierte. Ein möglicher Erklärungsansatz könnte sein, dass die Aktivierung von RAF-1 zur Induktion eines G2 Arrests führte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung von RAF-1 auch nach Bestrahlung ausreichend ist, um die Zellen vor strahlen-induziertem Zelltod zu schützen. Um die Mechanismen der RAF-1-vermittelten Strahlenresistenz zu ermitteln, sind weitere Studien notwendig.
Zusammenfassend konnten in der vorliegenden Arbeit also zwei unterschiedliche Modulatoren der Strahlentherapieantwort bei NSCLC identifiziert werden, welche sich potenziell für den Einsatz von Biomarker-gesteuerten Therapieprotokollen im Rahmen von klinischen Studien eignen.Lung cancer is the leading cause of cancer-related death worldwide. Approximately 85 % of all lung cancers are histologically grouped as non-small-cell lung cancer (NSCLC). Besides surgery and chemotherapy, radiotherapy is firmly established as an important modality in curative treatment of localized as well as locally advanced NSCLC and in palliative care. Nevertheless, systemic and localized relapse is frequently observed. Recent developments have led to a more refined typing of advanced NSCLC by incorporating biomarkers of oncogenic pathway activation. This has allowed the successful introduction of "targeted pharmacotherapies" that are better tailored towards biological differences between histologically uniform NSCLC entities. In contrast, radiotherapy still does not take advantage of biological disease heterogeneity, and radiosensitization protocols are empirically derived, rather than based on validated biomarkers.
Against this background, it was hypothesized that an improved understanding of the modulation of the radiotherapy response of NSCLC by signal transduction pathways may open new avenues for the development of more specific protocols to combine radiotherapy with pharmacotherapies. To this end, a systematic assessment of the functional impact of selected regulators of apoptosis, oncogenes, and signal transduction mediators on irradiation-induced cell death was initiated in a small-scale screen of lung cancer models.
Anti-apoptotic members of the BCL-2 family have been selected as the first group of potential biomarkers for the radiotherapy response in NSCLC. BCL-xL as well as MCL-1 conferred resistance against irradiation in A431 cells. Expression of both modulators led to decreased radiation-induced cell death and additionally gave a competitive edge in clonogenic survival in vitro. Studies obtained by radiation therapy of tumor-bearing mice in vivo supported the relevance of BCL-xL for radioresistance in an organismal context. Surprisingly, these findings were not convincingly explained by BCL-xL and MCL-1 mediating radioresistance by inhibition of apoptosis, as radiotherapy induced only negligible amounts of apoptosis. Also no impact of BCL-xL on cell cycle kinetics following irradiation was observed. Studying the influence of BCL-xL on deoxyribonucleic acid (DNA) double-strand break (DSB) repair pathways as a potential effector mechanism revealed that BCL-xL-mediated radioresistance relied on functional homologous recombination repair (HRR) and involved enhanced repair through error-prone alternative end-joining (alt-EJ). This led to the propagation of cells with gross chromosomal aberrations, possibly promoting survival of more resistant and aggressive lung cancer subclones. To circumvent this, combining irradiation with targeted therapies against anti-apoptotic BCL-2 family members was suggested as a useful strategy. Thus, BCL-xL and/or MCL-1 were antagonized on a genetic or functional level. These strategies, including shRNA-mediated knockdown, conditional overexpression of pro-apoptotic BAK, as well as pharmacological treatment with BH3-mimetics, sensitized lung cancer cells to radiotherapy. Based on this, it is proposed to select patients with high expression of the respective drug targets in recent tumor biopsies for clinical proof-of-principle studies combining radiotherapy with pharmacologic antagonists of the BCL-2 family such as Navitoclax.
The signal transduction mediator RAF-1 was identified as the second potential biomarker for the radiotherapy response in NSCLC. Conditional activation of RAF-1 reduced the number of irradiation-induced cell death significantly. Clonogenic survival could not be evaluated as RAF-1 activation itself inhibited colony formation in general, possibly due to induction of a cell cycle arrest or senescence. It was further shown that activation of RAF-1 even after irradiation had still radioprotective effects. The underlying mechanisms remain to be elucidated in technically more appropriate models, in particular in vivo.
In conclusion, two modulators of the radiotherapy response in NSCLC were identified and functionally validated. In addition, targeting non-apoptotic functions of BCL-2 family proteins was nominated as a novel strategy for biologically rational radiosensitization protocols