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The contribution of DNA DSB repair pathways to the repair of chromosome breaks throughout the cell cycle
No full textStrahleninduzierte Doppelstrangbrüche stellen eine große Gefahr für die Zell- Homöostase dar. Denn nicht reparierte oder falsch reparierte Doppelstrangbrüche können zu genomischer Instabilität und zur Bildung von Chromosomenaberrationen beitragen.
Früh in der Evolution haben höhere Eukaryonten Mechanismen entwickelt, um den Konsequenzen, die mit Doppelstrangbrüchen assoziiert sind, entgegen zu wirken. Grundsätzlich reparieren höhere Eukaryonten Doppelstrangbrüche entweder mit klassischer nicht- homologer Endverknüpfung (classical non homologous end joining, c-NHEJ) oder mit Homologer Rekombination (HR). Während c-NHEJ in allen Phasen des Zellzyklus aktiviert werden kann, ist HRR auf die späte S-Phase und G2-Phase beschränkt, da HRR eines Schwesterchromatids als Vorlage bedarf. Vor kurzem wurde eine weitere Form der Reparatur, die sogenannte alternative Endverknüpfung (alternative end joining, alt-EJ) entdeckt die unter anderem durch eine hohe Fehler Rate in der Reparatur charakterisiert ist. Studien haben gezeigt, dass die alternative Endverknüpfung in allen Phasen des Zellzyklus aktiviert werden kann, jedoch eine höhere Aktivität in der G2-Phase aufweist. Des Weiteren wurde gezeigt, dass alt-EJ als ein back-up Mechanismus funktioniert, der ins Spiel kommt, wenn c-NHEJ oder HRR an der Reparatur von Doppelstrangbrüchen scheitern.
Vorhergegangene Experimente, in unserem Labor deuten auf eine Dosis abhängige Regulation der Doppelstrangbruch- Reparaturmechanismen hin. In der hier vorliegenden Arbeit haben wir die Beteiligung von HRR, c-NHEJ und alt-EJ an der Reparatur von Doppelstrangbrüchen auf der Basis von Strahleninduzierten Chromatidbrüchen, die durch Vorzeitige Chromosomen Kondensation (premature chromosome condensation, PCC) sichtbar gemacht wurden, gemessen. Einen besonderen Fokus haben wir auf die G2-Phase des Zellzyklus gelegt, da alle drei Reparaturmechanismen in dieser Phase aktiviert werden können.
Darüber hinaus haben wir verschiedene Chinesische Hamsterzelllinien mit verschiedenem genetischem Hintergrund in unsere Experimente integriert, um unterschiedliche Aspekte der Reparaturmechanismen zu beleuchten.
Unsere Daten weisen auf, dass HRR überwiegend Chromatidbrüche nach niedriger Strahlendosis (2Gy) immer wichtiger für die Doppelstrangbruch Reparatur wird. Eine Beteiligung von alt-EJ an der Verarbeitung von Chromatidbrüchen konnten wir nicht nachweisen.
Neben Chromatidbrüchen haben wir auch die Bildung von Chromatidaberrationen untersucht. Eine besondere Rolle in der Unterdrückung von Chromatidaberrationen kommt der Homologen Rekombination zu. Darüber hinaus haben wir eine klare Beteiligung von c-NHEJ nach Bestrahlung mit hohen Dosen (5 Gy) festgestellt. Auch alt-EJ ist an der Bildung von Chromatidaberrationen vor allem in Zellen, die Defekte in c-NHEJ aufweisen und mit einer hohen Strahlendosis (5 Gy) bestrahlt wurden, beteiligt.
Des Weiteren haben wir ein Protokoll auf der Basis von EdU Färbetechniken entwickelt, um die PCC Technik zu validieren. Diese Methode erlaubt es uns zwischen PCCs zu unterscheiden die während der Bestrahlung in der S-Phase oder in der G2-Phase waren. Mit dieser Methode haben wir Zellzyklusspezifität für die PCC Technik erreicht und konnten so unsere Daten validieren.Ionizing radiation (IR) induced DNA double strand breaks (DSBs) pose a major threat to cellular homeostasis, as unrepaired or misrepaired DSBs can lead to chromosomal aberrations that threaten genomic stability and cell survival. Higher eukaryotes have evolved highly sophisticated DSB repair pathways to mitigate the consequences associated with DSBs. Higher eukaryotes repair DSBs predominantly by classical DNA-PK dependent non homologous end joining (c-NHEJ), or by homologous recombination repair (HRR). While c-NHEJ can be engaged in all cell cycle phases, HRR is restricted to the later S- and G2- phase of the cell cycle due to its requirement for a sister chromatid. Recently, an alternative (alt-EJ), error prone DSB repair pathway operating as a backup for failures in c-NHEJ and HRR was shown to function throughout the whole cell cycle with peak activity in the G2-phase of the cell cycle.
Previous experiments in our laboratory suggest a dose dependent choice for the engagement of repair pathways in the repair of IR induced DSBs.
We here investigated the contribution of HRR, c-NHEJ and alt-EJ to the repair of IR induced chromatid breaks, as measured by premature chromosome condensation, by exposing different wildtype, HRR mutant or c-NHEJ mutant cell lines to a broad spectrum of IR doses. Particular focus is placed on the G2-phase of the cell cycle, where all three DSB repair pathways can engage. Our results suggest a dose dependent repair pathway switch from slow HRR to fast c-NHEJ. Data obtained show that HRR is mainly engaged in the processing of CBs after exposure of low doses (<2 Gy). C-NHEJ on the other hand gains ground in the repair of IR induced chromatid breaks in a dose dependent manner. Moreover, we investigated the formation of chromosomal exchanges. We found a clear contribution of c-NHEJ and alt-EJ to CE formation at high IR doses (5 Gy), while the contribution of DSB repair pathways to CE formation after low doses of IR still need to be clarified.
Finally yet importantly, we developed a protocol for the premature chromosome condensation technique using EdU staining to discriminate between S-phase and G2-phase PCCs. This technique allows for the first time cell cycle dependent analysis of IR induced cytogenetic damage and paves the way to further mechanistic investigation
Nanoparticle electrodeposition for nanostructuring of electrodes
No full textDie Behandlung von neurodegenerativen Krankheiten nimmt besonders aufgrund höherer Lebenserwartungen eine immer größer werdende Rolle in der heutigen Medizin ein. Eine dieser Krankheiten ist Morbus Parkinson, welche Tremor in den Gliedmaßen, den Verlust der motorischen Fähigkeiten und Depressionen zur Folge haben kann. Da es für Morbus Parkinson bislang keine Heilung gibt, ist das wichtigste Ziel den Betroffenen ihre Lebensqualität zurück zu geben. Eine Methode um dies zu erreichen ist die Tiefe Hirnstimulation, bei welcher über implantierte Elektroden bestimmte Gehirnregionen stimuliert werden. Ein Problem stellt allerdings entstehendes Narbengewebe um die Elektrode herum dar, was die Effektivität der Behandlung reduziert.
In dieser Arbeit werden die Elektroden mit Nanopartikeln beschichtet, da diese die Biokompatibilität und die Impedanz der Elektroden beeinflussen können. Um eine sauberes Bioimplantat zu erhalten wird eine Kombination zwei hochreiner Methoden verwendet zur Beschichtung verwendet. Die gepulste Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL) und die Elektrophoretische Deposition (EPD).
Zur reproduzierbaren Herstellung funktionaler, nanostrukturierter Oberflächen ist ein besseres Verständnis des EPD-Prozesses notwendig. Hierzu wird der Mechanismus des Prozesses analysiert, was die pH-Wert-Entwicklung und entstehende Konzentrationsgradienten im der EPD-Kammer einschließt. Weitergehend wurde ein Modelsystem entwickelt, um den Einfluss von Liganden an Nanopartikeln auf die beiden Hauptaspekte der EPD, die elektrophoretische Mobilität und die Abscheiderate, erstmals untersuchen zu können.
Zusätzlich wurde der Einfluss kritischer Parameter (Depositionszeit, Kolloidkonzentration und elektrische Feldstärke) auf die physikochemischen Eigenschaften der nanostrukturierten Oberfläche durch das Anlegen von Parameter-Rastern untersucht. Diese Eigenschaften sind die Oberflächenbedeckung, der Kontaktwinkel, die Oberflächenoxidation, die elektrochemische Aktivität und die Impedanz.
Eine In-vivo-Studie wurde zusammen mit Projektpartnern der Medizinischen Hochschule Hannover durchgeführt, um die Neuroelektroden in lebenden Ratten zu untersuchen. Die Beschichtung zeigte eine gleichbleibend hohe Biokompatibilität bei geringerer Impedanz im Vergleich zur unbeschichteten Referenz, was für die Behandlung von Morbus Parkinson mittels Tiefer Hirnstimulation vorteilhaft ist.
Somit wurde das Hauptziel die Verbesserung der Neuroelektroden für die Tiefe Hirnstimulation erreicht. Zusätzlich wurde ein System zur Vorhersage der physikochemischen Eigenschaften und der In-vivo-Funktionalität der Elektroden in Lebewesen entwickelt.The treatment of neurodegenerative diseases is of significant importance in today’s medicine due to the increasing life expectancies of human beings. One of these diseases is Morbus Parkinson, which can cause tremor in limbs, the loss of fine motoric skills and depression. Since there is no cure known for patients suffering from Parkinson’s disease, the most important goal is to improve the quality of life for these people. One method to treat the disease is called deep brain stimulation. In this technique specific brain regions are stimulated by electrodes that are placed in these areas. However, these medical implants can suffer from scar formation around the electrode, which reduces the therapies effectiveness.
In this work the aforementioned problem is approached by structuring the neural electrodes with nanoparticles since it is known that a nanocoating can influence the biocompatibility as well as the electrodes’ impedance. In order to create a pure and safe biomaterial a combination of two highly purified methods namely pulsed laser ablation in liquids (PLAL) and electrophoretic deposition (EPD) is used to accomplish the nanoparticle coating.
To achieve a functional, reproducible nanostructured surface a better understanding of the EPD-process is fundamental. In this work mechanisms that occur during EPD were analyzed. This includes the development of the pH-value and concentration gradients inside the EPD-batch-reactor. Furthermore, a model-system was created to analyze the influence of ligands on the two main aspects of EPD (electrophoretic mobility and deposition on the surface) for the first time.
Additionally, the influence of critical deposition parameters (deposition time, colloid concentration and electric field strength) on the resulting physico-chemical properties was analyzed by generating parameter maps. These properties include surface coverage, contact angle, surface oxidation, electrochemical activity as well as the impedance.
An in vivo study was carried out together with project partners at Hanover Medical School to analyze the nanoparticle coated neural electrodes in living rats. The coated electrodes proofed to possess the same biocompatibility as uncoated electrodes while showing a more stable and lower impedance, which is beneficial for the treatment of Parkinson’s disease via deep brain stimulation.
Therefore, the main aim to improve neural electrodes for deep brain stimulation was achieved. In addition, a system to predict the physico-chemical properties and in vivo functionality of the electrodes was created
RGD-Rezeptor mit verbesserter Wasserlöslichkeit
No full textDie Zielsetzung dieser Arbeit war die Entwicklung eines wasserlöslichen Rezeptors zur Erkennung von niedermolekularen Peptiden, welche die RGD-Sequenz als Erkennungseinheit tragen. Im Focus standen die Synthese eines Rezeptors bestehend aus einem doppelten Bindungsmotiv sowie die Bestimmung seiner Bindungsaffinität gegenüber RGD-Peptiden. Beiden Bindungsmotive sollten in einer komplementären Art und Weise gestaltet sein. Dadurch sollte die simultane Erkennung der negativ geladenen Seitenkette der Asparaginsäure sowie die positiv geladene funktionelle Guanidiniumgruppe, die Teil der Aminosäure Arginin ist, ermöglicht werden.
Abbildung 7-1. Struktur des bizyklischen Diens 10 und des RGD-Rezeptors 46.
In einem ersten Ansatz wurde der RGD-Rezeptor 46 der ersten Generation in einer 22 stufige Synthese dargestellt (Abbildung 7 1). Teilweise konnte die Synthese über konvergente Reaktionen wie beispielsweise die Darstellung des Tweezers oder des Triazols durchgeführt werden. Weiterhin konnten Verbesserungen in der Tweezersynthese etabliert werden. Besonders zu erwähnen ist die effizientere Herstellung des Diens 10. So konnte die Ausbeute in der ersten Synthesestufe durch den Tausch des Polymerisations-Inhibitors deutlich gesteigert werden.
In Kombination mit einer Syntheseverkürzung von 6 auf 4 Stufen konnte die Ausbeute von 15 % auf nahezu 40 % erhöht werden (Abbildung 7 1). Weiterhin konnte ein einfacher Zugang zu unsymmetrischen Tweezern innerhalb dieser Arbeit entwickelt werden. Während der Synthese des ersten RGD-Rezeptors 46 konnte ein Weg zum Mono Alkin Tweezer 31 (Abbildung 7 2) gefunden werden.
Abbildung 7 2. Beide abgebildeten Mono-Alkine konnten mit Hilfe einer Williamson Ether Synthese bzw. einer analogen Williamson Ether Synthese hergestellt werden.
Wie sich herausgestellt hatte, war die Wasserlöslichkeit des RGD-Rezeptors der ersten Generation für weitere Bindungsstudien mit RGD-Peptiden ungenügend (Abbildung 7 1). Selbst die Charakterisierung des Rezeptor-Vorgängers 45 und des Rezeptors 46 zeigte einige Probleme, die im Zusammenhang mit der schlechten Löslichkeit im Allgemeinen zu sehen sind. Unter sauren, leicht sauren wie auch basischen Bedingungen zeigte sich, dass Aggregate gebildet wurden. Diese konnten mittels AFM veranschaulicht werden. Mit Hilfe von DLS-Messungen konnte die Größe der gebildeten Aggregate unter nahezu neutralen Bedingungen bestätigt werden.
In einem zweiten Ansatz wurde über eine weitere Phosphatgruppe in Zusammenhang mit einer Größenreduzierung des aromatischen Grundgerüstes des Tweezer-Moleküls nachgedacht. Für die Realisierung eines komplett wasserlöslichen RGD-Rezeptors musste eine Synthese von unsymmetrischen Tweezern wie auch deren kleineren Homologen entwickelt werden. Die Einführung einer zweiten Phosphatgruppe ergab den wasserlöslichen Diphosphat-Tweezer 50 und die Bindungsstelle (51) für die Guanidiniumfunktion. Dabei konnte die Synthese des verkürzten Tweezers 51 sogar als Eintopf-Reaktion ausgehend vom Diol 19b (Abbildung 7 3) durchgeführt werden. Im letzten Syntheseschritt wurde der RGD-Rezeptor 56 durch eine kupfer-katalysierte Cycloadditions-Reaktion zusammengefügt. Dieser letzte Reaktionsschritt ermöglichte eine elegante Verknüpfung beider Bindungsmotive in Verbindung mit einer konvergenten Synthesestrategie. Der niedermolekulare RGD-Rezeptor 56 wurde in einer Gesamtausbeute von 3 % in Bezug auf Molekül 51 synthetisiert.
Im Allgemeinen wurden die Synthesen der Grundbausteine nach den protokollierten Standard¬synthesen durchgeführt. Dabei konnten einige Verbesserungen mit Hinblick auf Ausbeute und Effizienz gemacht werden. Besonders die Synthese des Tweezerbausteines konnte um 2 Reaktionsschritte verkürzt werden. Bei der Synthese des Pyrrolbausteines 32 zeigten sich Stabilitätsprobleme. Eine schnelle Zersetzung des Pyrrols 37 bei der Entschützung der Guanidin-Funktion konnten durch die spätere Einführung des Azides am ungeschützten Pyrrol 43 umgangen werden.
Abbildung 7 3. Die konvergente Synthese zwischen dem Diphosphat Mono-Alkin 51 und dem Pyrrolazid 32 wurde mit Hilfe einer 1,3-dipolaren Cycloaddition durchgeführt.
Eine Charakterisierung beider hergestellten RGD-Rezeptoren stellte sich als schwierig heraus. Aufgrund intermolekularer Wechselwirkungen durch Selbstassem-blierungsprozesse wurden beispielsweise NMR-Spektren beeinflusst. Je mehr funktionelle entschützt vorlagen, desto deutlicher war eine Peakverbreiterung in den Spektren zu sehen.
Die UV-Bindungsstudien des RGD-Rezeptor 56 konnten ohne weitere Löslichkeitsprobleme unter leicht sauren Bedingungen durchgeführt werden. Die Ermittlung der Komplexstöchiometrie mittels der Methode nach Job lieferte nicht besonders signifikante Ergebnisse. Daher wurden 1:1 Stöchiometrien für die Wirt-Gast-Systeme angenommen. Dieser neue Rezeptor zeigte eindrucksvoll eine spezifische Erkennungsaffinität gegenüber dem linearen RGD-Peptid und zwischen den zyklischen RGD-Peptiden, die von Kessler et al. entwickelt wurden. Das konnte durch einen Anstieg der Bindungskonstante vom zyklischen Penta-Peptid P2 über das zyklische Hexa-Peptid P3 bis hin zum linearen RGD-Peptid P1 gezeigt werden. Die größte Bindungskonstante wurde mit dem Peptid P1 erzielt, mit dem unter Annahme eines 1:1 Komplexes eine Konstante von KA = 3.4*104 M-1 gefunden werden konnte. Im Vergleich zum ersten synthetischen RGD-Rezeptor konnte die Bindungskonstante mit einem linearen RGD-Peptid um zwei Größenordnungen verbessert werden. Dieser erste Rezeptor war der von Schrader et al. entwickelte Triphosphonat-Rezeptor (Abbildung 2 5). Er verdeutlichte den gleichen Trend stärkere Komplexe mit einem flexibleren und linearen RGD-Peptid (KA = 1300 M-1) im Vergleich zum zyklischen Peptid cyclo(RGDfV) (KA = 700 M-1) zu bilden.43
Der zuletzt genannte Rezeptor wies einen geringen Affinitätsunterschied zwischen dem zyklischem und dem freiem RGD-Peptid auf. Nur eine halbe Größenordnung an Selektivitätsunterschied wurden damit berichtet. Dagegen zeigte der in dieser Arbeit neue entwickelte wasserlösliche RGD-Rezeptor 56 von Natur aus eine höhere Selektivität zwischen dem Penta-Peptid (KA = 4,300 M 1) und dem linearen RGD (KA = 34,000 M 1).
Ein besonders großer Vorteil des neu entwickelten Rezeptors ist seine Flexibilität durch die variable Länge des Linker-Moleküls. Basierend auf dem Konzept von separierten Bindungsstellen, die über ein Linker-Molekül verknüpft sind, und einer konvergenten Synthese können schnell neuen RGD-Rezeptoren entwickelt werden. Diese Methode kann effizient zur Entwicklung verschiedener RGD-Rezeptoren mit unterschiedlichen Selektivitäts- und Bindungseigenschaften gegenüber verschiedenen RGD-Peptiden verwendet werden. Trotz der zuvor angestrebten Zielsetzung, einen RGD-Rezeptor mit einem kompletten Tweezer als Guanidium-Bindungsstelle zu entwickeln, konnte eindrucksvoll gezeigt werden, dass eine verkürzte Version des Tweezers eine einfachere Synthese bedeutet. Besonders die Löslichkeitsproblematik konnte damit umgangen werden. Letztlich können die Ergebnisse dieser Arbeit dazu beitragen maßgeschneiderte RGD-Rezeptoren durch die Verwendung von raumfüllenden Resten am Linker-Molekül zu kreieren. Durch die Verkleinerung des Tweezer-Moleküls und dem damit verbundenen Verlust des hydrophoben aromatischen Grundgerüstes können weitere Reste ohne größeren Einfluss auf die Löslichkeit eingeführt werden. Die Einführung von beispielsweise kleineren Resten wie Methyl oder Ethyl-Seitenketten kann einen Einfluss auf die Selektivität zwischen unterschiedlichen RGD-Peptiden haben.
Für eine weitere Forschung können erfolgreiche Ergebnisse erwartet werden. Besonders wenn eine Einstellung der Selektivität möglich ist, könnten Tests gegenüber größeren Proteinen wie Vitronectin oder Fibronectin durchgeführt werden. Dieser Ansatz ermöglicht dann einmal die Anwendung in Arzneimitteln oder deren Bewertung, wenn diese RGD-basiert sind.
The objective of this work was the development of a water-soluble receptor for small molecular weight peptides containing the RDG-sequence as a recognition unit. The focus was set on the synthesis of a receptor with a ditopic binding motif and the evaluation of its binding affinity towards RGD-peptides. Both binding motifs should be designed in a complementary fashion. Therewith it should be possible to recognize the negatively charged side chain of the aspartic acid residue and the positively charged guanidinium group which is part of the arginine amino acid simultaneously.
Figure 5-1. Structures of the bicyclic diene 10 and the RGD-receptor 46.
In a first approach the 1st generation RGD-receptor 46 (fig. 5 1) could be realized in a 22 step synthesis. Partially the synthesis could be managed via convergent reaction steps like the formation of the tweezer or the triazole. Some further improvements in the tweezer synthesis could be made. Especially a more efficient synthesis strategy of the diene 10 could be developed. The yield of the bicyclic diene 10 could be improved by the change of the polymerization inhibitor in the initial synthesis step significantly. In addition with the shortening from 6 to 4 synthesis steps the overall yield of the diene 10 (fig. 5 1) was improved from 15 % to almost 40 %.
Additionally an easy access to un-symmetrical tweezers could be realized within this work. During the synthesis of the first RGD-receptor 46 the synthesis of the mono alkyne tweezer 31 (fig. 5 2) could be developed. But unluckily the water solubility of the 1st generation RGD-receptor (fig. 5 1) was too low and unsatisfying for further binding studies with RGD-peptides. Even the characterization of the receptor precursor 45 and of receptor 46 revealed some problems that were related to the poor water-solubility of molecule 46. Under acidic, slightly acidic and alkaline conditions the molecules trended to form aggregates that could be visualized nicely via AFM. With DLS measurements the size of the aggregates under almost neutral conditions could be confirmed.
Figure 5-2. Both mono-alkynes the mono-alkyne tweezer 31 and the diphosphate mono-alkyne tweezer 50 were synthesized via a Williamson ether synthesis and an analogous Williamson ether synthesis respectively.
In a second approach a supplemental water solubility enhancing group in combination with a reduced size of the aromatic backbone of the tweezer was considered. For the realization of a completely water-soluble RGD-receptor an access towards un-symmetrical tweezers and truncated tweezers containing two phosphate groups needed to be developed.
The introduction of a second phosphate group yielded the water-soluble diphosphate mono-alkyne tweezer 50 and the guanidinium binding site 51. The synthesis of molecule 51 could be realized as a one pot synthesis starting with the diol 19b (fig. 5 3). In the final synthesis step the RGD-receptor 56 was assembled in a copper-catalyzed cyclisation reaction. This last reaction facilitated a smart linkage of both binding motifs in a convergent syntheses strategy. The low molecular weight RGD-receptor 56 was synthesized in an overall yield of 3 % with respect to the synthesis of molecule 51.
Generally the syntheses of the basic building blocks followed the standard synthesis protocols. Some improvements with respect to the yield and the efficiency could be made. Especially the synthesis route of the tweezer building block was shortened by two reaction steps. The synthesis of azido pyrrole 32 revealed some stability problems. The fast decomposition of azido pyrrole 37 during the deprotection step could be circumvented by an introduction of the azide at the unprotected pyrrole 43.
Figure 5-3. The synthesis of the truncated mono alkyne diphosphate tweezer 51 was carried out in a one pot synthesis. The convergent synthesis of the diphosphate mono-alkyne 51 with the pyrrole azide 32 was executed via a 1,3-dipolar cycloaddition.
The characterization of both synthesized RGD-receptors turned out to be complicated. Due to intermolecular interactions caused by processes of self-assembly the NMR spectrum was influenced for example. The more functional groups became unprotected the more distinct the peak broadening appeared in the spectrum. Within the second approach the aim of a totally convergent synthesis strategy could be applied. This allowed an easier characterization of the separated building blocks until the last reaction step.
The UV-binding studies of the receptor 56 under slightly acidic conditions could be carried without further problems. The evaluation of the complex stoichiometry via Job’s method yielded insignificant results so that host-guest systems with stoichiometry of a 1:1 were assumed. This new receptor showed somehow a specific recognition affinity towards cyclic RGD-peptides. This could be seen by an increase of the association constant from the penta-peptide P2 towards the hexa-peptide P3 and the linear RGD-peptide P1. The highest binding constants could be recorded using the linear RGD-tripeptide P1. Herewith an association constant of KA = 3.4*104 M-1 was found taking a 1:1 complex into account. Compared to the first synthetic RGD-receptor the KA value with linear RGD-peptide could be improved by two orders of magnitude. This first receptor was the trisphosphonate receptor developed by Schrader et al. (fig. 2 5). It showed even the same trend to form stronger complexes with the flexible and linear RGD peptide (KA = 1300 M-1) compared to the cyclic peptide cyclo(RGDfV) (KA = 700 M-1).43
Last mentioned receptor showed rather marginal affinity difference between the cyclic and the free RGD peptide. Only half an order of magnitude could be achieved in difference of selectivity. Whereas the newly developed water-soluble RGD-receptor 56 showed a slightly higher selectivity between the penta-peptide (KA = 4,300 M 1) towards linear peptide (KA = 34,000 M 1).
One big advantage of the newly developed receptor synthesis is the flexibility in the linker length. Based on the concept of separated binding sites connected via a linker and a convergent synthesis this strategy enables a rather fast development of new receptor molecules. This method can be used efficiently to generate different RGD-receptors with dissimilar selectivity and binding properties towards different RGD-peptides more efficiently. Although the objective intended the synthesis of a RGD-receptor containing a full tweezer as binding site for guanidinium residue, it could be shown that a truncated version of the tweezer could afford easier synthesis impressively. Even solubility problems could be circumvented by the diminishment of the tweezer building block.
Nevertheless the results of this work can be used to design tailor-made RGD-receptors by the additional usage of space demanding residues at the linker. Through the truncation of the tweezer and therefore the loss of the hydrophobic aromatic backbone the solubility should not suffer by further residue attachment. The introduction of small residues like methyl or ethyl-side chains for example might have some impact on the selectivity between different RGD-peptide due to their different conformation.
For further research promising results can be expected. Especially when the selectivity of new RGD-receptors can be triggered easily the new receptors could be tested against integrin peptides like vitronectin or fibronectin. This route of research might lead in final application for pharmaceuticals or their evaluation, if they are based on RGD-recognition
Analysis of the Software Architectural Support of the Usability of Mobile Applications
No full textRasante Innovationszyklen, kurze Produkteinführungszeiten und ein hoher Konkurrenzdruck sind typische Rahmenbedingungen für die Entwicklung mobiler Anwendungen. Dies sind Anwendungen, die auf mobilen Endgeräten laufen und in verschiedenen Umgebungen verwendet werden. Usability (Benutzbarkeit) kann durch die Softwarearchitektur einer Anwendung unterstützt, aber auch behindert werden. Je später im Softwareentwicklungsprozess Usability beachtet wird, umso aufwendiger werden Änderungen an der Softwarearchitektur. Um dieses Risiko zu verringern, ist es nötig, so früh wie möglich offenzulegen, ob Usability-Anforderungen architektonisch unterstützt werden.
Potenziell hohe Architekturänderungen werden mit Methoden zur szenario-basierten Softwarearchitekturanalyse ermittelt; es wird dabei verifiziert, dass ein Qualitätsmerkmal architektonisch berücksichtigt wurde. Frühere Methoden bezüglich Usability erreichen dieses Ziel, erscheinen aber sehr komplex: Sie erfordern zum einen Wissen über Patterns und zum anderen sind die Freiheitsgrade beim Erstellen, Auswählen und Evaluieren von Szenarios hoch. Wie die früheren Methoden Usability-Attribute verwenden, behindert zudem eine engere Kooperation mit dem Usability Engineering, für das gemeinsame Begriffe und Vorgehensweisen grundlegend wären. Deshalb ist es notwendig, eine Methode zu konstruieren, die einfacher und interdisziplinärer ausgerichtet ist.
Aufgrund dessen werden in dieser Forschungsarbeit mittels Literaturstudien zuerst Forschungsfragen, dann Hilfsmittel und schließlich eine theoretisch fundierte Methode erarbeitet. Um diese zu validieren und zu vereinfachen, durchläuft sie - mit kanonischer anwendungsnaher Forschung - zwei Fallstudien zu mobilen Anwendungen.
Ergebnis ist die szenario-basierte Methode SATURN („SoftwareArchitekTuranalyse von Usability-anfoRderungeN“), in der anfangs mittels Nutzungskontextanalyse die Interaktionsszenarios erstellt werden, die für Anwender relevant sind. Hilfsmittel umfassen die Faktoren des mobilen Nutzungskontexts und einen Katalog von 50 potenziell architektursensitiven Interaktionsszenarios. Diese sind von Patterns abgeleitet, referenzieren sie und unterliegen einem definierten Lebenszyklus. Die Analyse stützt sich auf die verwendete Architekturdefinition und auf das Prinzip der Sichtenmodelle. Bewertet wird, inwiefern Struktur oder Verhalten von architektonischen Elementen verhindern können, dass ein Interaktionsszenario (hypothetisch) durchgeführt werden kann. Betrachtet wird dabei, wie Usability berücksichtigt wurde, welche vor- und nachteiligen Architekturentscheidungen und welche Austauschbeziehungen mit anderen Qualitätsmerkmalen bestehen. Die Ergebnisse von SATURN fließen zurück zur Erstellung der Softwarearchitektur und zum Usability Engineering. Die Methode ist auch mit einem Nutzertest kombinierbar.
Mit SATURN ist die Analyse der architektonischen Unterstützung für die Usability mobiler Anwendungen einfacher als mit früheren Arbeiten. Dies inspiriert zu weiterer Forschung, wie beispielsweise Fallstudien zum Zusammenhang zwischen Usability und Softwarearchitektur, die Ausrichtung der Methode auf andere Qualitätsmerkmale, neue konstruktive Möglichkeiten in agilen Prozessen oder allgemein die Koordination von Usability Engineering und Softwareentwicklung.The software development of mobile applications, i.e. applications which run on mobile devices and are used in various environments, faces a fast time to market, high competitive pressure, short technical innovation cycles, and high user expectations regarding usability. The software architecture of an application can support but also constrain usability. The later in software development usability is considered, the costlier architectural modifications become. In order to reduce this risk, it is necessary to discover usability requirements that are not supported architecturally as early as possible.
Potentially high architectural changes are elicited using scenario-based software architecture analyses; it is verified, that a quality factor was considered architecturally. Earlier works regarding usability achieve this, though they appear very complex: they depend on the knowledge of patterns and leave room for interpretation while creating, selecting and evaluating scenarios. Also, respective uses of usability attributes hinder a further cooperation with usability engineering, because common terms and methods are a prerequisite for this. Therefore, it is necessary to construct a new method which is easier to use and more interdisciplinary-oriented.
In order to describe research questions, means for the method and a first version of the method itself, literature studies are conducted. Afterwards, the method is validated and improved through two case studies with mobile applications adhering to canonical action research.
In the new scenario-based method SATURN („Software ArchitecTure analysis of Usability-RequiremeNts“), interaction scenarios that are relevant from a users’ point of view are depicted and selected based on a usage context analysis. This is facilitated by providing factors of the mobile usage context and a catalog of 50 interaction scenarios that are potentially architectural sensitive (derived from patterns, referring to them, and complying to a scenario life cycle). The analysis of the architecture itself is based on the principle of view models. We analyze, in what way structure or behavior of architectural elements can constrain the interaction described by a specific interaction scenario. Results verify that usability was considered architecturally, explain disadvantageous and advantageous architectural decisions as well as trade-offs with other quality factors. Thus, results can flow back to architectural design and usability engineering. Additionally, the method is combined with a user test.
With this research, analyzing and assessing the architectural support for the usability of mobile applications is easier than with earlier works. This inspires further research, for example, more case studies regarding the relationship between usability and software architecture, other quality factors and software architecture, new possibilities for construction in agile processes, and the cooperation amongst the fields usability engineering and software engineering in general
Hepatitis B virus production is modulated through microRNA-99 family induced-autophagy
No full textMiRNAs are highly conserved small noncoding RNAs which are widely expressed in multicellular organisms and participate in the regulation of various cellular processes, including autophagy and viral replication. Evidently, miRNAs are able to modulate host gene expression and thereby inhibit or enhance HBV replication. Interestingly, the plasma levels of miR-99 family in the peripheral blood correspond with HBV DNA loads. As previous studies identified, the mRNA of IGF-1R, Akt, and mTOR as direct targets with binding sites for miR-99 family members. Thus, we addressed whether the miR-99 family regulated HBV replication and analyzed the underlying molecular mechanism. We found that ectopic expression of miR-99 family members could markedly increase HBV replication, progeny secretion, and antigen expression in hepatoma cells. However, miR-99 family members showed no effect on modulating HBV transcription and HBV promoter activities, suggesting that they may regulate HBV replication through other mechanisms. Consistent with bioinformatic analysis and recent reports, we further found that ectopic expression of miR-99 family attenuated IGF-1R/Akt/mTOR signaling pathway and repressed insulin-stimulated activation in hepatoma cells. Moreover, the experimental data revealed that the miR-99 family promoted the formation of autophagosomes through inhibiting the phosphorylation of ULK1, followed with the autophagic degradation of cargo receptor SQSTM1/p62. Thus, these results implied that the miR-99 family enhanced HBV replication through mTOR/ULK1 signaling induced complete autophagy. We further explored the definite mechanisms of different autophagic phases affecting HBV production. Consistent with our findings by silencing the components of ULK1 complex or using autophagic inhibitor 3-MA, HBV replication and HBsAg production were significantly decreased by silencing of Rab5. In contrast, silencing of Rab7 significantly enhanced HBV replication and HBsAg production, while activation of Rab7 obviously decreased the levels of HBV production. Thus, these data indicated that the delivery of HBV capsids and HBsAg to lysosomes could facilitate their degradation. Conclusion: the miR-99 family promotes HBV replication post-transcriptionally through IGF-1R/PI3K/Akt/mTOR/ULK1 signaling-induced complete autophagy. We provide new evidence that HBV replication and HBsAg production requires early autophagic process, but may be degraded to a significant extent in the autophagosome compartment
Towards the modelling of a spray flame process for nanoparticle synthesis
No full textZugriff auf den Volltext ist gesperrt, neue Version unter DuEPublico-ID 43642
This work concerns the investigation of nanoparticle synthesis processes with focus on the synthesis of titanium dioxide nanoparticles from titanium tetraisopropoxide (TTIP) in a nanoparticle spray flame reactor.
As important steps towards the complex modelling of the spray process, simpler nanoparticle synthesis processes without spray were examined first. These preliminary studies helped to understand the flow field and the influence of different process parameters, and to generate experience in gas-phase synthesis reactor modelling. Therefore, the synthesis process within a hot-wall reactor, a low-pressure microwave plasma reactor and a low-pressure flat flame reactor was investigated by means of computational fluid dynamics (CFD).
For the analysis of the spray flame reactor, different modelling approaches for a complete reactor simulation are introduced, where one major aspect for all approaches was to keep the computational effort low while achieving sufficient accuracy. The several processes within the reactor can be divided in three main parts: a) the break-up of the liquid jet from the spray nozzle, b) the combustion of the spray and in the pilot flame, and c) the formation and growth of the nanoparticles. Additionally, the interaction between turbulence and nanoparticle dynamics had to be considered, which has been a key part of this thesis. Due to many simultaneous and interacting physical processes of such a spray flame synthesis, the modelling was quite challenging. First, the primary break-up had to be analysed to determine the spray droplet properties, which were required as boundary conditions for further simulations of the complete synthesis process. Therefore, Volume of Fluid (VOF) modelling was performed and shadowgraphs provided by Jan Menser were used, which both together delivered good estimations of the droplet characteristics. For the modelling of the turbulent spray combustion and the calculation of the nanoparticle dynamics, different modelling approaches were used. To break the first ground, the Partially Stirred Reactor (PaSR) concept was used to model the turbulent combustion. The simplified population balance equations (PBE) for the calculation of the nanoparticle dynamics were solved coupled to the combustion using a monodisperse model and an Eulerian approach. With this method a sensitivity study was performed applying modified droplet properties as boundary conditions to analyse their influence on the combustion and the nanoparticle characteristics and to quantify the effect of the uncertainties in the boundary conditions. Additional simulations were performed using the Eddy Break-Up (EBU) model for turbulent combustion, where the monodisperse PBE were solved in a post-processing step in the Eulerian frame. Finally, a simplified hybrid Lagrangian Monte Carlo approach was used for a more complex and precise modelling of the turbulence-PBE interactions, where the Monte Carlo particle statistics were used to calculate discrete probability density functions (PDF) of the nanoparticle characteristics.
The modifications of the spray boundary conditions for the PaSR simulation were found to have a negligible effect on the flame and the final nanoparticle size distribution, which indicates a stable reactor design. The PaSR simulation has given a first insight into the investigated reactor and particularly into the nanoparticle synthesis process. The EBU model predicted a slightly wider spray flame, which was shifted further downstream of the reactor nozzle in comparison to the PaSR model. The nanoparticle properties were in the same range, but due to the later precursor decomposition, the EBU model determined a slightly lower nanoparticle surface area, volume and primary nanoparticle diameter. Due to the short computational time, the Euler-Euler modelling approaches are well suited to conduct parameter studies in nanoparticle reactors. Whereas for the Euler-Euler simulations the precursor decomposed rapidly and all nanoparticles emerged at the same time at a low height above the nozzle, the Monte Carlo model has shown that newly formed and older nanoparticles coexist and feature different properties. Monte Carlo particles with different trajectories at the same time and location were sampled, where particle statistics could be derived for each individual computational cell. The mean of the nanoparticle properties determined by the Monte Carlo simulation were in the same range as predicted by the Euler-Euler approach for the multiphase flow. The Monte Carlo model could predict a bimodal nanoparticle size distribution in the population of the numerical particles due to different particle histories. This bimodal distribution was already observed for TiO2 formation in the gas-phase in different previous experiments, as for example by Tsantilis et al. [1], where it was ascribed to similar coagulation and nucleation modes. In this thesis, it is shown, that a bimodal size distribution can also be caused by turbulent phenomena.Zugriff auf den Volltext ist gesperrt, neue Version unter DuEPublico-ID 43642
Diese Arbeit befasst sich mit der numerischen Simulation von Nanopartikelsynthese-prozessen. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildet die Modellierung der Synthese von Titaniumdioxid-Nanopartikeln aus Titanium-Tetraisopropoxid (TTIP) in einem Sprayflammenreaktor.
Wichtige Schritte hin zu der komplexen Gesamtmodellierung des Spray-Syntheseprozesses waren Modellierungen simplerer Syntheseprozesse ohne Sprayverbrennung. Diese vorausgehenden Studien gaben Aufschluss über das Strömungsfeld in Gasphasenreaktoren und den Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf die Synthese. Außerdem generierten sie wichtiges Verständnis und Kenntnisse im Bereich der Reaktormodellierung. Die vorherigen Untersuchungen umfassten die Modellierung eines Heißwandreaktors, eines Niederdruck-Mikrowellenplasmareaktors und eines Niederdruck-Flachflammenreaktors mittels numerischer Simulation.
Für die Analyse des Sprayflammensynthesreaktors werden in dieser Arbeit verschiedene Modellierungsansätze zur Simulation des Gesamtprozesses vorgestellt. Ein Hauptaspekt für alle Modellierungsansätze war, den Rechenaufwand möglichst gering zu halten. Die Prozesse im Sprayflammenreaktor können grob in drei Hauptprozesse aufgeteilt werden: a) der Zerfall des Flüssigkeitsstrahls aus der Spraydüse, b) die Verbrennung des Sprays und in der Pilotflamme und c) die Bildung und das Wachstum der Nanopartikel. Zusätzlich muss der Einfluss der Turbulenz auf die Prozesse berücksichtigt werden. Die Wechselwirkungen zwischen Turbulenz und Nanopartikelentwicklung sind daher Kernstück dieser Arbeit. Durch die unterschiedlichen simultan ablaufenden und wechselwirkenden physikalischen Prozesse war die Gesamtmodellierung des Reaktors sehr komplex. Als erster Schritt musste der Primärzerfall des Flüssigkeitsstrahls untersucht werden, um die Randbedingung für die Spraytropfen für die Gesamtmodellierung zu bestimmen. Der Primärzerfall wurde mithilfe einer Volume of Fluid (VOF) Methode modelliert und zusätzlich wurden Schattenbilder, welche von Jan Menser bereitgestellt wurden, herangezogen. Beide Methoden zusammen lieferten eine gute Abschätzung der Tropfeneigenschaften. Zur Modellierung der turbulenten Sprayverbrennung und der Berechnung der Nanopartikelentwicklung wurden unterschiedliche Methoden verwendet. Als erster Schritt wurde das Partially Stirred Reactor (PaSR) Konzept zur Berechnung der turbulenten Verbrennung verwendet. Die Populationsbilanzgleichungen (PBE: population balance equations) zur Bestimmung der Entwicklung der Nanopartikel wurden mit einem monodispersen Ansatz modelliert und gekoppelt zur Verbrennungssimulation mittels eines Euleransatzes gelöst. Mit dieser Methode wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, um den Einfluss kleiner Abweichungen in den Spraytropfeneigenschaften auf die Nanopartikeldurchmesser, -anzahlen und -morphologien zu untersuchen. Diese Sensitivitätsstudie diente dazu, Unsicherheiten in der Definition der Randbedingungen auszuschließen. Zusätzliche Simulationen wurden mit dem Eddy Break-Up (EBU) Model für turbulente Verbrennungen durchgeführt, bei denen die monodispersen vereinfachten PBE in einem Postprozessingschritt gelöst wurden. Schließlich wurde ein vereinfachter hybrider Lagrang’scher Monte Carlo Ansatz für eine komplexere und präzisere Modellierung der Turbulenz-PBE Interaktion verwendet. Monte Carlo Partikelstatistiken wurden hierbei zur Berechnung der diskreten Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (PDF: probability density function) für die Nanopartikeleigenschaften herangezogen.
Die Modifizierung der Randbedingungen der Spraytropfen in den PaSR Simulationen zeigte keinen nennenswerten Einfluss sowohl auf die Verbrennung als auch auf die Nanopartikeleigenschaften, was auf einen stabilen Reaktorbetrieb schließen lässt. Die PaSR-Simulationen konnten einen ersten Einblick in den untersuchten Reaktor und in die Prozessabläufe während der Synthese geben. Das EBU-Modell lieferte eine etwas breitere nach oben verschobene Sprayflamme im Vergleich zum PaSR-Modell. Die Nanopartikeleigenschaften beider Methoden wiesen die gleichen Größenordnungen auf, jedoch waren die Durchmesser, die Oberflächen-, Volumen- und Anzahldichte beim EBU-Modell etwas kleiner als beim PaSR-Model, was auf eine spätere Umsetzung des Prekursors zurückzuführen ist. Durch die geringe Rechenzeit sind die Euler-Euler Simulationen, d.h. die PaSR- und die EBU-Simulation, zur Durchführung von Parameterstudien in Nanopartikelreaktoren gut geeignet. Bei den Euler-Euler Modellen wurde der Prekursor in der heißen Zone direkt umgesetzt und alle Nanopartikel entstanden zeitgleich. Die Monte Carlo Modellierung hat jedoch gezeigt, dass Nanopartikel mit unterschiedlichen Trajektorien zeitgleich an derselben Stelle existieren. Für jede individuelle Rechenzelle konnten Nanopartikelstatistiken abgeleitet werden. Die gemittelten Werte für die Nanopartikeleigenschaften waren in der gleichen Größenordnung wie die Ergebnisse der Euler-Euler Simulationen. Das Monte Carlo-Modell konnte eine bimodale Nanopartikel-größenverteilung im Reaktor vorhersagen, welche auf unterschiedliche Trajektorien der Partikel zurückzuführen ist. Diese bimodale Verteilung wurde für TiO2-Gasphasensynthese bereits in Experimenten, z.B. von Tsantilis et al. [1], beobachtet und als Grund wurden ähnliche Koagulations- und Nukleationsmode aufgeführt. In der vorliegenden Arbeit wird jedoch gezeigt, dass die bimodale Größenverteilung auch auf turbulente Effekte zurückgeführt werden kann
The influence of blended learning on students' learning behavior with respect to the heterogeneity of students
No full textThis dissertation examines the influence of blended learning on student's learning behavior with respect to student heterogeneity. The analysis is based on theoretical models. Since blended learning offers a variety of learning opportunities which are available around-the-clock, it is able to influence learning in a different way than traditional teaching methods. Especially online feedback helps students to self-regulate learning and to assess their abilities. Taking the growing heterogeneity of students into consideration, blended learning may be a measure to rethink homogeneous university structures.
Chapter 1 and Chapter 2 follow Göcke (2002) by applying his model of learning by doing to the framework of university courses. These chapters analyze how learning behavior is influenced by online learning opportunities. Chapter 3 introduces a broader perspective, shedding light on the impact of blended learning on student heterogeneity which characterizes today's higher education system.
Dynamic utility maximization in Chapter 1 emphasizes that around-the-clock online learning opportunities lead to a nearly constant learning activity in time. In this connection, we also show that constant learning increases the learning progress. Furthermore, the introduction of an online mid-term test leads to a higher level of learning time before the test and consequently shifts the learning activity towards the beginning of the semester. Since studies on flawed self-perception indicate that students are not able to self-assess themselves accurately, Chapter 2 assumes imperfect knowledge about the individual ability. As a result, we are able to show that online exercises and a mid-term test improve self-assessment of skills and the failure rate of the exam if students persistently make use of these feedback sources. Chapter 3 introduces a new perspective by looking at blended learning and the higher education system. On the one hand, Chapter 3 shows that blended learning guides the self-study of students and improves flawed self-assessment and on the other hand, blended learning is able to transform teaching routines in higher education to adapt to the heterogeneous student body
Phänotypische Charakterisierung von geschlechtsabhängigen Merkmalen einer Hyperthyreose und Hypothyreose im Mausmodell
No full textSchon lange ist eine erhöhte Prävalenz von Frauen für Schilddrüsen- (SD) Funktionsstörungen wie einer Über- oder Unterfunktion bekannt. Allerdings sind die Auswirkungen einer SD-Fehlfunktion im menschlichen Organismus kaum geschlechtsspezifisch charakterisiert. Zudem steigt die Rate an SD-Funktionsstörungen mit dem Alter an und auch hierbei ist bislang nur unzureichend bekannt, ob eine Über- oder Unterfunktion bei älteren Frauen im Vergleich zu Männern ähnliche Konsequenzen hat im Hinblick auf z.B. das kardiovaskuläre System, den Energiestoffwechsel oder das Verhalten.
Um diese klinischen Fragestellungen in einem in vivo Mausmodell nachzustellen, wurden zunächst Protokolle für eine chronische Überfunktion in männlichen und weiblichen Tieren etabliert. Im Anschluss erfolgte eine Charakterisierung von geschlechtsspezifischen Eigenschaften einer Über- und Unterfunktion in verschiedenen Lebensabschnitten bei jungen, erwachsenen und alten Mäusen sowie Analysen zur organspezifischen SD-Hormon (SDH) Wirkung.
Im Vergleich der jungen Tiere zeigte sich, dass das Geschlecht eine wichtige Rolle bei SDH-abhängigen Veränderungen des Körpergewichts, der Körpertemperatur, der Futter- und Wasseraufnahme, den SDH-Serumkonzentrationen und neuro-muskulären Eigenschaften spielt. Im Vergleich von erwachsenen und älteren Tieren wurde sowohl eine gleichbleibende (für Körpertemperatur, SDH-Serum-konzentrationen, Aktivität) als auch verstärkte (für Körpergewicht, Muskelfunktion) geschlechtsabhängige SDH-Wirkung beobachtet. Interessanterweise ließen sich in allen drei Altersgruppen keine Unterschiede zwischen Männchen und Weibchen in der Herzfrequenz bei einer Über- und Unterfunktion beobachten. In der Analyse der organspezifischen SDH-Wirkung zeigte sich, dass die SDH-abhängige Genexpression im Herzen die geringsten geschlechtsspezifischen Unterschiede aufweist, während im braunen Fettgewebe und noch deutlicher in der Leber ausgeprägte geschlechts- und SDH-spezifische Transkriptänderungen auftraten. In weiteren Analysen konnte eine geschlechts- und SDH-abhängige Regulation von Claudin-1 in der Leber nachgewiesen werden, welche wahrscheinlich eine Relevanz für die Gallensäure Homeostase hat und einen möglichen Pathomechanismus für geschlechtsabhängige Cholelithiasis bei SD-Funktionsstörungen darstellen könnte.
Zusammenfassend sind dies die ersten Arbeiten, welche geschlechtsspezifische Aspekte einer SD-Über- oder Unterfunktion in verschiedenen Lebensaltern im Mausmodell abbilden. Diese Ergebnisse dienen als Grundlage, um die molekularen Mechanismen auf organischer und Zellebene zu verstehen. Dies kann helfen, translational zukünftig am Menschen Komorbiditäten einhergehend mir einer SD-Fehlfunktion bei Männern und Frauen besser vorzubeugen und zu therapieren.It is well known, that the clinical situation of thyroid dysfunctions (TDs), hyper- and hypothyroidism have an increased preponderance in women than men. In contrast, a sex-specific outcome of hyper- and hypothyroidism has not been characterized yet. Moreover, the prevalence of TDs increase with age, with unknown sex-specific consequences for the cardiovascular system, energy metabolism and behaviour.
To mimic the clinical situation, first an in vivo mouse model for chronic hyperthyroidism in male and female mice was established, followed by induction of chronic hyper- and hypothyroidism of both sexes in young, adult and old aged mice. This allowed a comprehensive characterization of the interplay between sex and age on phenotypical traits of TD at different life stages and enabled the analysis of organ-specific thyroid hormone (TH) effects.
Metabolic parameters of body weight change, food and water intake, TH serum concentrations, heart rate, body temperature, muscle function and activity were assessed. In young mice a distinct sex impact on TH-dependent alterations was identified for body weight, body temperature, nutrient intake, TH serum concentrations and neuromuscular features. In comparison to adult and old age groups sex-effects were persistent (for body temperature, TH serum concentrations, activity) and exaggerated (for body weight and muscle function), whereas no TH-dependent differences between male and female mice were noted for heart rate at any age. Molecular investigations showed less sex influence on TH-dependent gene expression in heart, whereas in brown adipose tissue and even more significant alterations in liver were detected. Further analysis of a sex and TH-dependent regulation of Claudin-1 in livers of mice indicated relevance in an altered biliary homeostasis and a possible pathophysiological role for TH-dependent change of sex-dependency in cholelithiasis.
To conclude, these studies allow a comprehensive analysis of sex influence on phenotypical and molecular traits of hyper- and hypothyroidism at different life stages in mice for the first time and enable the subsequent analysis of the underlying mechanisms in an organ and cell-specific manner. This will help to improve our understanding of possible sex impact on complications of TD in women and men and implicate a sex-specific prevention and treatment of patients
Entwicklung von Kopplungsmethoden für die Analyse komplexer Mischungen
No full textErdöl als wichtigster Teil unserer Energieversorgung ist eine der wichtigsten Ressourcen für unsere technologisierte Gesellschaft. Obwohl enorme Anstrengungen unternommen werden, Energie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen, wird Erdöl auch über die nächsten Jahrzehnte als Grundstoff für Treibstoffe, als Rohstoff für die chemische Industrie und für etliche weitere Anwendungen benötigt werden. Die jeweiligen Produkte müssen gleichbleibend umweltfreundlich sowie auch ökonomisch produziert werden, obwohl die Rohstoffe sich kontinuierlich ändern. Die analytische Chemie ist hierbei von zentraler Bedeutung, da eine eingehende Analyse helfen kann, ungewollte Phänomene im Zuge der Produktion zu verstehen. Die genaue Analyse von Erdöl ist allerdings eine problematische Aufgabe. Im Laufe der letzten Jahre wurde gezeigt, dass es keine einzelne analytische Methode gibt, die eine vollständige Charakterisierung von Erdöl erlaubt. Allerdings hat sich die ultrahoch auflösende Fourier-Transformations-Massenspektrometrie (FTMS) zur Methode der Wahl entwickelt, um molekulare Informationen zu gewinnen. Ein Hauptproblem ist die Komplexität der Probe, die zu Unterdrückungseffekten bei der Ionisation und allgemein zu Empfindlichkeitsproblemen führt. Erdöl „sabotiert“ damit praktisch seine eigene Analyse.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Methoden zur Probenvereinfachung, um durch die Vermeidung von Diskriminierungseffekten die Detektion einzelner Analyten zu erleichtern. Dies wurde durch die Kopplung von FTMS mit Ionenmobilitätsspektrometrie (FAIMS) bzw. Ligandenaustauschchromatographie (LEC) erreicht. Ein neuer Quellenblock zur 1- und 2-Photonen Ionisation mit FAIMS-FTMS wurde für die Analyse unpolarer Analyten entwickelt. Details über die strukturelle Beschaffenheit einzelner Komponenten konnten gewonnen werden, indem Strukturmotive verschiedener isomerer Verbindungen untersucht wurden.
Die Entwicklung einer LEC-Methode mit einer Pd-basierten stationären Phase erlaubte die gruppenselektive Analyse schwefelhaltiger Verbindungen. Die Methode löst eines der drängendsten Probleme der Erdölforschung: Die quantitative Analyse einzelner Verbindungen innerhalb einer komplexen Erdölprobe. Wegen unterschiedlicher Ansprechverhalten war dies bislang nicht möglich. Das Problem wurde mit ICP-MS/MS umgangen, die eine selektive Detektion mit einheitlichem Ansprechverhalten bietet. Die Kombination von gruppenselektiver Trennung mit einer qualitativen Analyse schwefelhaltiger Verbindungen durch LEC-FTMS und mit der Quantifizierung per LEC-ICP-MS/MS erlaubte zum ersten Mal die Quantifizierung verschiedener Typen von Schwefelverbindungen in Erdöl.Being the most important part in the energy supply chain, crude oil is one of the most important resources for our technology-driven society. Although strong efforts are undertaken to gain energy out of renewable resources, it is certain that crude oil will be needed at least for the next couple of decades as feedstock for transportation fuels, as raw material for the chemical industry and for a number of other different applications. The respective products need to be produced constantly in an environmentally friendly and economical way, even though feedstocks are continuously changing. Analytical chemistry is of particular importance here, as a detailed analysis can help understanding numerous adverse effects during production. The comprehensive analysis of crude oil, however, is a problematic task. Over the last years it has been shown that no single analytical technique exists that allows a complete description of a crude oil. However, ultra-high resolving Fourier transform mass spectrometry (FTMS) has developed into the method of choice to gain information on a molecular level. One major problem is the complexity of the sample which leads to suppression effects during ionization and overall sensitivity issues. Crude oil is thus “sabotaging” its own analysis.
Aim of this work was the development of methods that allow a simplification of the sample and thus help analyte detection by reducing discrimination and suppression effects. This has been achieved by hyphenating FTMS to separation techniques such as ion mobility spectrometry (FAIMS) and ligand exchange chromatography (LEC). A new source block for 1- and 2-photon ionization with FAIMS FTMS was developed that allows also the studying of non-polar analytes. Details of the structural composition of individual components in very complex crude oil samples were investigated by detecting structural motifs in different isomeric compounds.
A group-selective analysis of sulfur containing compounds was offered through the development of a LEC separation method on a Pd-based stationary phase. The application of this method solves one of the most glaring problems in petroleum research: The quantitative analysis of individual compounds within a complex crude oil sample. This had not been possible before due to unresolved response issues. This problem was addressed by selective detection with uniform response using ICP-MS/MS. The combination of class selective separation and qualitative analysis of sulfur containing compounds by LEC FTMS with quantitative analysis by LEC-ICP-MS/MS allowed the quantitative analysis of different sulfur containing compounds in crude oil for the first time
Boundary control of a chemotaxis system
No full textChemotaxis describes the directed movement of cells along the gradient of a chemical substance. Mathematically, this can be described by a quasilinear parabolic system of partial differential equations. In the work at hand we analyze an optimal control problem for the chemotaxis equations where the control is located at the boundary. Using the concept of maximal parabolic regularity, we show that for controls , where and such that , the adjoint system, which is needed to derive optimality conditions, has the same regularity. After that, we show that the control problem possesses an optimal solution. We derive necessary optimality conditions of first order for the control problem, which serve as a basis for many numerical methods for finding a solution, as well as sufficient optimality conditions of second order for the control problem. These second order conditions allow us to prove quadratic convergence of an SQP method. This is illustrated in a numerical example.Chemotaxis beschreibt die gerichtete Bewegung von Zellen entlang des Konzentrationsgradienten eines Lock- oder Schreckstoffs. Mathematisch lässt sich dieses Phänomen durch ein quasilineares System parabolischer Differentialgleichungen beschreiben. In dieser Arbeit betrachten wir ein Optimalsteuerproblem für diese Gleichungen mit Steuerung am Rand des Gebiets. Mit Hilfe des Konzepts der maximalen parabolischen Regularität zeigen wir, dass das Zustandssystem für Steuerungen mit und so, dass besitzt auch das adjungierte System, welches wir für die Formulierung von Optimalitätsbedingungen brauchen, eine eindeutige Lösung im gleichen Raum. Danach zeigen wir, dass auch das Steuerproblem selbst eine Lösung besitzt. Wir leiten sowohl notwendige Optimalitätsbedingungen her, die als Basis für viele numerische Verfahren dienen, als auch hinreichende Bedingungen zweiter Ordnung. Letztere erlauben uns zu zeigen, dass ein SQP-Verfahren für das Steuerproblem quadratisch konvergiert. Dies veranschaulichen wir anhand eines Beispiels