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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
Activation of plasmacytoid dendritic cells in the bone marrow polymicrobial sepsis
No full textSepsis ist eine meist durch Bakterien ausgelöste systemische Infektion. Parallel zu einer hyperinflammatorischen Phase entsteht eine Immunsuppression, die durch eine höhere Anfälligkeit zu sekundären Infektionen gekennzeichnet ist. Vorarbeiten haben gezeigt, dass die Differenzierung von dendritischen Zellen (DC) im Knochenmark (BM) in der frühen Phase der polymikrobiellen Sepsis beeinflusst wird. Dies führt zur Bildung von dysfunktionalen überwiegend IL-10 produzierenden DC, welche die Immunantwort gegen Pathogene hemmen. Die Bildung von dysfunktionalen DC ist dabei assoziiert mit dem Erscheinen von CD11chiMHCII+CD4+DC im BM ab 18 h nach Induktion einer Sepsis in der Maus. Das Ziel dieser Arbeit war, die Ursache für das Erscheinen der CD4+ DC im Knochenmark und die Assoziation mit der Differenzierung von dysfunktionalen DC nach Sepsis zu identifizieren. Dabei sollte geklärt werden, ob die CD4+ DC aus der Peripherie in das BM wandern, im BM maturieren und/oder proliferieren. Zur Bearbeitung der Fragestellung wurde das murine Model der post-septischen Immunsuppression nach zökaler Ligation und Punktion (CLP) verwendet. Die Analyse der Expression von verschiedenen Oberflächenmarkern identifizierte die DC als aktivierte plasmazytoide DC (pDC). Eine Blockade der Chemokinrezeptoren CXCR4 und CCR2, die bekanntlich an der Wanderung der pDC beteiligt sind, verhinderte das Erscheinen der aktivierten pDC im BM nach CLP werden. Des Weiteren zeigte sich auch ex vivo eine reduzierte Dysfunktion von de novo differenzierten Knochenmarkszellen (BMDC) bei Blockade des CCR2. Jedoch konnten weder im Blut noch in der Bauchhöhle pDC nach CLP nachgewiesen werden, die die Theorie einer Wanderung der Zellen in das Knochenmark unterstützt hätten. Der Transfer von Peritonealzellen aus MyD88-/- und aus CXCR4ko Mäusen in das Peritoneum der septischen Wildtyptiere verminderte die pDC Aktivierung im Knochenmark und (im Fall des Transfers von CXCR4 ko Zellen) die Dysfunktion der hieraus generierten BMDC. Zusammenfassend kann man sagen, dass pDC im Knochenmark unter Beteiligung von CXCR4 und CCR2 aktiviert werden, möglicherweise indirekt über Mediatoren die CXCR4- und MyD88-abhängig in der Bauchhöhle freigesetzt werden. Die Aktivierung der pDC im BM scheint die Differenzierung von dysfunktionalen DC und damit die Entstehung der Immunsuppression nach Sepsis zu fördern.Sepsis, a whole-body inflammation is caused mostly by bacterial infection and leads to an enhanced susceptibility to secondary infections due to development of immunosuppression. Preliminary work has shown that the differentiation of dendritic cells (DC) in the BM is modified in the early phase of polymicrobial sepsis and results in the generation of dysfunctional predominantly IL-10 producing- DC which consequently inhibit the immune defense against pathogens. The generation of dysfunctional DC is associated with the appearance of CD11chiMHCII+CD4+DC in the BM from 18 h after CLP. The aim of this project was to identify the correlation between the altered distribution of DC and the development of dysfunctional DC during sepsis and consequently the development of immunosuppression. Main focus was to identify the origin of the CD4+DC which influence the de novo differentiation of DC: are precursors challenged during sepsis and migrate to the BM or are anti-inflammatory DC proliferating in the BM. To address this issue a mouse model of post septic immunosuppression, cecal ligation and puncture (CLP), was used. The analysis of the expression profile of the appearing DC for different markers confirms that the appearing cells are plasmacytoid DC (pDC). pDC migration involves a subset of different chemokine receptors, amongst others CXCR4 and CCR2. CXCR4 and its ligand CXCL12 play an important role in the retention of pDC in the BM and in the attraction of leukocytes to the BM. CCR2 is important in controlling pDC migration during inflammation. The inhibition of CXCR4 or CCR2 results in a reduced appearance of pDC in the BM during sepsis. The maturation of ex vivo cultured BMDC was reduced when CCR2 was blocked.
It was as well possible to reduce the appearance of the pDC when peritoneal exudate cells from CXCR4ko or MyD88-/- mice were transferred into the peritoneal cavity of wildtype mice during sepsis induction. Finally, prevention of the maturation of pDC into the BM after transfer of CXCR4ko PEC counteracted the differentiation of IL-10 secreting BMDC after CLP. In summary, pDC mature in the BM during sepsis which is influenced by CXCR4 and CCR2 as well as the TLR-dependent signaling in the peritoneal cavity. The activation of pDC in the BM seems to influence the generation of dysfunctional DC and as consequence the development of immunosuppression after sepsis
Characterization of a novel radial reactor for a solid oxide fuel cell system with anode off-gas recirculation
No full textThis study is part of a project in which a novel gas processor for a natural gas (NG) fueled solid oxide fuel cell (SOFC) system with a net electric power of 1 kW and anode off-gas recirculation (AOGR) has been developed. The main topic of this work is the experimental characterization of the novel reactor of this gas processor in the form of a prototype. This reactor operates as prereformer and processes NG with the aid of recirculated anode off-gas during SOFC power operation. It has the shape of a hollow cylinder with a volume of approximately 1 l, is of the type radial reactor with centrifugal z-flow and is equipped with two different packages of precious metal wire-mesh catalyst for reforming as well as with an internal electric heater.
The reforming capability of the reactor is investigated in a special reactor test setup. There the reactor is tested as if it would operate within the total SOFC system with AOGR. For the tests it is assumed that the SOFC system runs on CH4 instead of NG. The experiments focus on reactor operation during the startup process of the SOFC system. For this purpose the startup procedure of the SOFC system, especially of the anode gas processor, is derived and a test rig is developed to emulate SOFC system operation with AOGR of the stand-alone prototype. The reactor prototype is equipped with 20 thermocouples to make the internal radial and axial temperature distribution transparent as well as with a differential pressure transducer to study the pressure loss characteristics during reforming. Moreover, the reactor is embedded into heating sleeves for thermal loss compensation. The composition of the product gas is investigated by means of non-dispersive infrared for CO, CO2 and CH4, a thermal conductivity sensor for H2, a paramagnetic sensor for O2 and a dew point mirror together with an absolute pressure sensor for H2O.
Reforming experiments of the startup process cover reactor operation points from an oxygen to carbon ratio (ϕ) of 1.2 to 2.4. At low ϕ air is supplied to the reactor inlet in addition, which is not done at large ϕ. A Monte Carlo simulation is used to evaluate whether the reactor product gas is in equilibrium. The simulation covers the total error chain of the test rig from the gas conditioning system to the gas analysis. The evaluation shows that 23 of the 37 experiments are likely to be in equilibrium and further 13 are close to it with a volume fraction offset of less than ±0.3%.
Besides the startup experiments, sensitivity tests are carried out in terms of volume flow variations at the reactor inlet and temperature variations at the reactor outlet. Furthermore, a long-term test of 75 h duration and some dynamic tests are presented. No catalyst degradation is measurable in the long-term test. A dynamic test shows that mean temperatures of the outer catalyst package above 460 °C are necessary to reach equilibrium at ϕ = 2.4 with AOGR.
The catalytic ignition temperature is investigated in another set of experiments. In these experiments CH4 volume fractions at the reactor inlet ranging from approximately 10 to 30% are covered. The CH4 is supplied together with air which is partly diluted with N2. The measured ignition temperature is between 310 and 360 °C. Reactor operation after ignition shows symmetrical reactor heating-up. Chemical equilibrium is achieved at mean temperatures of the outer catalyst package above 420 °C if 3.2 slpm CH4 and 9.2 slpm air are supplied to the reactor inlet.
Carbon deposits formation, especially at low ϕ when the chemical equilibrium calculation predicts its formation, is checked with an oxidation procedure. Minor carbon deposits can be measured in terms of CO and CO2 but the simultaneously measured O2 consumption does not coincide with this. Further tests indicate that reactor internal oxidation and reduction is the reason for this, most probably due to the active materials of the catalyst.
A pressure loss characterization shows that the pressure losses across the catalyst packages contribute to less than 10% of the total losses of the prototype. When supplying 34 slpm dry air of 22 °C the packages show losses lower than 9 Pa. The measurements coincide with a developed pressure loss model. Furthermore from the pressure loss characterization it can be deduced that the gas flow in radial direction is homogeneously distributed over the whole flow area. Measurements of the residence time distribution of the reactor show neither dead spaces nor channeling. The distribution can be approximated by a cascade of five equal vessels, the tank-in-series model. During SOFC system startup the reactor operates as air preheater using its internal electric heater. The homogeneity of heat input of this internal heater is validated by using an infrared camera in addition to the reactor internal thermocouples.Diese Forschungsarbeit ist Teil eines Projektes in dem ein neuartiger Gasprozessor für ein erdgasbetriebenes Festoxidbrennstoffzellensystem (engl. solid oxide fuel cell system, kurz SOFC System) mit einer elektrischen Nettoleistung von 1 kW und Anodenabgasrezirkulation (engl. anode off-gas recirculation, kurz AOGR) entwickelt wird. Das Hauptthema dieser Arbeit ist die experimentelle Charakterisierung des neuartigen Reaktors dieses Gasprozessors in Form eines Prototyps. Dieser Reaktor arbeitet als Vorreformer und prozessiert Erdgas mittels Anodenabgas während die SOFC elektrische Leistung generiert. Er ist radialen Typs mit zentrifugaler z-Strömung, hat die Form eines Hohlzylinders mit einem Volumen von ungefähr 1 l und ist zur Reformierung mit zwei verschiedenen edelmetallbeschichteten Drahtgitterpaketen sowie einem internen elektrischen Heizer ausgestattet.
Die Reformierversuche werden am autarken Reaktor derart durchgeführt, als ob dieser im SOFC Gesamtsystem mit AOGR betrieben würde. Für diese Versuche wird angenommen, dass das SOFC System mit CH4 anstelle von Erdgas betrieben wird. Der Versuchsschwerpunkt liegt auf dem Reaktorbetrieb während des SOFC Systemstarts. Zu diesem Zweck wird der Startvorgang des Anodengasprozessors abgeleitet und ein Reaktorteststand entwickelt, um den Betrieb des autarken Prototyps in einem SOFC System mit AOGR nachzubilden. Der Reaktor ist mit 20 Thermoelementen ausgestattet, um die reaktorinterne radiale und axiale Temperaturverteilung zu erfassen, sowie mit einem Differenzdruck-Messumformer zur Untersuchung der Druckverlusteigenschaften während des Reformiervorgangs. Zur Kompensation von Wärmeverlusten ist der Reaktor in Heizmatten eingebettet. Die Produktgaszusammensetzungen werden mittels nichtdispersiver Infrarotssensoren hinsichtlich CO, CO2 und CH4, einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor für H2, einem paramagnetischen Sensor für O2 und einem Taupunktspiegel gekoppelt mit einem Absolutdrucksensor für H2O untersucht.
Die Reformierversuche des Startvorgangs decken Betriebspunkte des Reaktors mit einem Sauerstoff- zu Kohlenstoffverhältnis (ϕ) von 1,2 bis 2,4 ab. Bei geringem ϕ wird am Reaktoreingang zusätzlich Luft zugeführt, was bei großem ϕ nicht erfolgt. Mit einer Monte Carlo Simulation wird bewertet, ob das Reaktorproduktgas im Gleichgewicht ist. Diese Simulation deckt die komplette Fehlerkette vom Aufbereitungssystem der Reaktoreingangsgase bis zur Gasanalyse ab. Die Bewertung zeigt, dass 23 von 37 Experimente die Wahrscheinlichkeit besitzen im Gleichgewicht zu sein und 13 weitere Experimente dieser Wahrscheinlichkeit mit einer Volumenanteilabweichung kleiner ±0, 3% sehr nahe kommen.
Neben den Versuchen zum Startvorgang werden Experimente mit variierenden Eingangsvolumenströmen, verschiedenen Reaktoraustrittstemperaturen, ein Langzeittest von 75 h sowie einige dynamische Versuche vorgestellt. Während des Langzeittests ist keine Katalysatordegradation messbar. Ein dynamisches Experiment zeigt, dass Temperaturen des äußeren edelmetallbeschichteten Drahtgitterpaketes von über 460 °C nötig sind, um chemisches Gleichgewicht bei ϕ = 2,4 mit AOGR zu erreichen.
Die katalytische Zündtemperatur wird in einer weiteren Versuchsreihe untersucht. Dabei werden CH4-Volumenanteile am Reaktoreintritt von ungefähr 10 bis 30% abgedeckt. Das CH4 wird zusammen mit Luft, die teilweise mit N2 verdünnt ist, zugeführt. Die gemessene Zündtemperatur liegt zwischen 310 und 360 °C. Bei Zufuhr von 3,2 slpm CH4 und 9,2 slpm Luft am Reaktoreintritt zeigt der Reaktor nach der Entzündung einen symmetrischen Aufheizvorgang. Das chemische Gleichgewicht wird ab einer Temperatur des äußeren edelmetallbeschichteten Drahtgitterpaketes von über 420 °C erreicht.
Die Bildung von Kohlenstoffablagerungen insbesondere bei sehr geringem ϕ, bei dem die chemische Gleichgewichtsberechnung deren Bildung voraussagt, wird mit einem speziellen Verfahren der Kohlenstoffoxidation geprüft. Geringfügige Kohlenstoffablagerungen können in Form von CO und CO2 gemessen werden, aber der simultan gemessene Sauerstoffverbrauch entspricht diesem nicht. Weiterführende Versuche belegen eine reaktorinterne Oxidation und Reduktion als Ursache dieser Unstimmigkeit, höchstwahrscheinlich verursacht durch das aktive Material des Katalysators.
Eine Charakterisierung des Druckverlusts zeigt, dass die Katalysatorpakete zu weniger als 10% der gesamten Druckverluste des Prototyps beitragen. Unter Zuführung von 34 slpm trockener Luft mit 22 °C zeigen die Katalysatorpakete Druckverluste geringer 9 Pa. Die Messungen stimmen mit theoretischen Werten eines entwickelten Druckverlustmodells überein. Des Weiteren kann aus der Druckverlustcharakterisierung darauf geschlossen werden, dass der radiale Gasfluss homogen über die gesamte Durchflussfläche verteilt ist. Die Messung der Verweilzeitverteilung des Reaktors zeigt weder Toträume noch Kanalbildung. Die Verweilzeitverteilung kann durch eine ideale Rührkesselkaskade von fünf gleichen Reaktoren angenähert werden. Während des Startvorgangs des SOFC Systems wird der interne elektrische Heizer des Reaktors als Luftvorwärmer eingesetzt. Der homogene Wärmeeintrag des elektrischen Heizers wird mittels Infrarotkamera und der im Inneren des Reaktors angebrachten Thermoelemente bestätigt
Global chromatin changes induced by altered tonicity interferes with DNA damage response signaling and DNA double-strand break repair
No full textThe results of our experiments reveal that global changes in chromatin structure achieved by hypotonic or hypertonic treatment have severe consequences on DDR signaling and DSB repair and thereby endanger genomic stability. Chromatin relaxation by itself results in transient arrest of cells in G2-phase, which might be due to ATM activation. However, in response to IR DDR signaling is reduced in terms of pATM, γH2AX and 53BP1 foci formation. Surprisingly, we still see a strong G2-checkpoint response upon DSB induction, which is dependent on ATR as well as on ATM. Further investigation of upstream signaling of ATM will help to understand these diverse responses mediated by ATM. Since we observe functional DNA end resection in globally relaxed chromatin, an ATR mediated checkpoint response is promoted. However, DSB repair by the main repair pathways is disturbed, as we see less cNHEJ and especially HRR. Also altEJ fails to backup cNHEJ and HRR, but SSA is three-fold increased upon hypotonic treatment. As this is seen in experiments utilizing reporter cell lines, it would be interesting to investigate the response of SSA to chromatin relaxation on IR-induced DSBs. While impairments of faithful DSB repair are seen and in addition only mutagenic DSB repair is functional, the modest effects found in survival are unexpected. However, as continuous hypotonic treatment is toxic to the cells, the adaptation of the protocol to transient treatment explains the small radiosensitizing effect observed. DDR signaling experiments and also measurements of CCP show that effects of global chromatin relaxation mediated by hypotonic treatment are completely reversible. Global chromatin condensation achieved by hypertonic treatment arrests cells in G1-, G2- and M-phase, while it enhances DDR signaling in terms of ATM activation and H2AX phosphorylation in response to IR. However, DSB repair efficiency of all investigated repair pathways is compromised (cNHEJ) or completely abrogated (HRR, altEJ and SSA). This might be explained by nonfunctional DNA end resection upon chromatin condensation, which is necessary for HRR, altEJ and SSA. However, activation of checkpoints may help to maintain genomic stability although DSB repair is inhibited. Chromatin condensation and also DDR signaling is restored when cells are re-incubated in normal cell culture medium, which explains the moderate effects of hypertonic treatment on radiosensitization to killing observed.
Collectively, global changes in chromatin massively perturb responses to DNA damage and risk genomic integrity. The action of hypotonic and hypertonic medium in altering chromatin structure is rather unspecific. Thus, more specific treatments like inhibitors of proteins influencing chromatin structure or genetically modified cell lines with loss-of-proteins that are known to facilitate, for example, chromatin condensation will help to further elucidate the role of chromatin structure in DDR signaling, DSB repair and DSB repair pathway choice.Die Ergebnisse unserer Experimente zeigen, dass globale Veränderungen der Chromatinstruktur, die durch hypotone oder hypertone Behandlung hervorgerufen werden, schwerwiegende Auswirkungen auf die DDR Signalübertragung und die DSB Reparatur haben und somit die genomische Stabilität gefährden.
Chromatinrelaxation allein verursacht ein vorübergehendes Stoppen der Zellen in der G2-Phase, möglicherweise resultierend aus einer ATM Aktivierung. Allerdings ist die DDR Signalübertragung, gemessen an der Bildung von pATM, γH2AX und 53BP1 Foci, nach Bestrahlung reduziert. Überraschenderweise können wir trotzdem eine starke G2-Kontrollpunktaktivierung nach DSB Induktion beobachten, die sowohl von ATR als auch von ATM abhängig ist. Weitere Untersuchungen der Signalübertragungen, die ATM vorausgehen, werden uns helfen diese unterschiedlichen ATM-vermittelten Endpunkte zu verstehen. Die in global relaxiertem Chromatin zu beobachtende, funktionsfähige DNA Resektion ermöglicht eine Kontrollpunktaktivierung durch ATR. Trotzdem ist die DSB Reparatur gestört, wie wir an einer weniger effizienten cNHEJ und vor allem an weniger HRR sehen. Auch altEJ kann die beiden Mechanismen nicht ersetzen; SSA ist dagegen dreifach verstärkt sobald die Zellen hypoton behandelt werden. Dieser Effekt wurde mithilfe von Reporter Zelllinien entdeckt und es wäre interessant auch die Reaktion des SSA auf strahlungsinduzierte DSBs in relaxiertem Chromatin zu untersuchen. Obwohl wir starke Beeinträchtigungen der Hauptreparaturwege beobachten und außerdem nur mutagene DSB Reparatur aktiv ist, sind die geringen Effekte der Chromatinrelaxation auf das Zellüberleben unerwartet. Da die kontinuierliche Behandlung der Zellen mit hypotonem Medium toxisch ist, erklärt die nach Anpassung des Protokolls nur noch vorübergehende Behandlung diese geringen Effekte auf das Überleben nach Bestrahlung. DDR Signalübertragungsexperimente und auch die Messungen des CCP zeigen, dass die Effekte der globalen Chromatinrelaxation, hervorgerufen durch hypotone Behandlung, komplett reversibel sind. Globale Chromatinkondensierung, erzeugt durch hypertone Behandlung, hält die Zellen in der G1-, G2- und M-Phase an, während die DDR Signalübertragung gemessen an der ATM Aktivierung und der H2AX Phosphorylierung nach Bestrahlung verstärkt wird. Jedoch ist die Aktivität aller untersuchten DSB Reparaturwege beeinträchtigt (cNHEJ) bzw. komplett unterbrochen (HRR, altEJ und SSA). Eine mögliche Erklärung könnte sein, dass die DNA Resektion in kondensiertem Chromatin nicht mehr funktioniert, welche aber notwendig für die Reparatur durch HRR, altEJ und SSA ist. Daher könnte die funktionelle Aktivierung der Kontrollpunkte helfen die genomische Stabilität zu bewahren, obwohl die DSB Reparatur inhibiert ist. Chromatinkondensierung und die DDR Signalübertragung wird wiederhergestellt, sobald die Zellen in normalem Zellkulturmedium inkubiert werden. Das könnte ebenfalls eine Erklärung für die nur moderaten Effekte der hypertonen Behandlung auf das Überleben nach Bestrahlung sein. Zusammenfassend stören globale Änderungen der Chromatinstruktur massiv die Reaktionen der Zelle auf DNA-Schadensinduzierung und gefährden somit die genomische Integrität. Die chromatinverändernde Wirkung der hypotonen und hypertonen Medien ist eher unspezifischer Natur. Daher können spezifischere Behandlungen wie zum Beispiel das Nutzen von Inhibitoren bestimmter Chromatin beeinflussender Proteine oder genetisch modifzierte Zelllinien, denen Proteine fehlen, die an der Chromatinkondensierung beteiligt sind, helfen die Rolle der Chromatinstruktur hinsichtlich der DDR Signalübertragung, der DSB Reparatur und der Wahl des Reparaturweges weiter aufzuklären
The role of the receptor tyrosine kinase TrkA in checkpoint activation, DSB repair, and survival of neuroblastoma cell lines
No full textNeuroblastome sind die häufigsten extrakranialen Tumore des Kindesalters. Diese maligne Erkrankung zeichnet sich durch eine extreme Spannweite der Krankheitsverläufe aus, die von spontaner Differenzierung und Tumorregression bis hin zu raschem Progress und infauster Prognose reicht. Hohe Expressionslevel der Rezeptortyrosinkinase TrkA/NTRK1 sind mit einer guten Prognose assoziiert. TrkA/NTRK1-Expression korreliert zudem mit einer höheren Expression des DNA-Reparaturproteins XRCC4 in stabil TrkA/NTRK1-exprimierenden SY5Y Zellen.
Stabil transfizierte SY5Y Zellen mit induzierbarer TrkA/NTRK1-Expression wurden genutzt, um den Effekt dieses Neurotrophin-Rezeptors auf Zellviabilität, Aktivierung von Zellzyklus-Checkpoints und die DNA-Reparaturkapazität in der Strahlenantwort zu analysieren. Hierbei konnte kein Einfluss von TrkA/NTRK1 auf die Reparaturkapazität oder die DNA Reparaturkinetik im Zusammenhang mit ionisierender Bestrahlung festgestellt werden. Jedoch wurde gezeigt, dass die Überexpression von TrkA/NTRK1 eine Defizienz im G2-Kontrollpunkt bei niedrigen (1 Gy) und hohen (4 Gy) Dosen bedingt. Zudem war die Zellviabilität in TrkA/NTRK1-positiven Zellen im Vergleich zu TrkA/NTRK1-negativen Zellen nach Bestrahlung erhöht. TrkA/NTRK1-exprimierende Zellen zeigten außerdem eine signifikant erhöhte Zellviabilität nach PARP1-Inhibition durch Olaparib mit und ohne Bestrahlung mit 2 Gy.
Die häufigste genetische Veränderung beim Neuroblastom, welche nur ein einzelnes Gen betrifft, ist die Amplifikation des MYCN Onkogens. Diese definiert auch den aggressivsten Tumor-Subtyp, der mit gegenwärtigen Mitteln nicht kurativ behandelt werden kann. Die MYCN-Amplifikation ist anti-korreliert zur Expression der Rezeptortyrosinkinase TrkA/NTRK1 und des Zelloberflächen-Glykoproteins CD44, die wiederum mit einer günstigen Prognose und spontaner Tumorregression assoziiert sind. Wir konnten einen direkten Zusammenhang zwischen hohen TrkA/NTRK1-Leveln und der Hochregulation von CD44 in Neuroblastomzellen mit induzierbarer TrkA/NTRK1-Expression zeigen. Dabei wurden die CD44 Spiegel auf mRNA und Proteinebene in Gegenwart und Abwesenheit von aktiviertem TrkA untersucht. Hochregulation von CD44 konnte nur nach TrkA/NTRK1-Aktivierung durch den spezifischen Liganden, Nerve Growth Factor (NGF), gezeigt werden. Zudem ist das MYCN Protein in TrkA/NTRK1-exprimierenden Zellen mit MYCN-Amplifikation runterreguliert. Die Proliferationsrate und die Koloniebildungsfähigkeit sind in TrkA/NTRK1-exprimierenden, MYCN-amplizierten Neuroblastomzellen signifikant erniedrigt.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass eine Deregulation der Zellzyklus-Kontrollpunkte und ein verändertes Ansprechen auf Olaparib- in Einklang mit einer Rolle von TrkA/NTRK1 bei der Zellzykluskontrolle stehen. Eine reduzierte Expression von MYCN-Protein in Abhängigkeit vom TrkA/NTRK1-Status zusammen mit verminderter Koloniebildungsfähigkeit und Zellproliferation in MYCN-amplifizierten Neuroblastomzelllinien weist auf eine gegenseitige Interaktion von TrkA/NTRK1 und MYCN hin.Neuroblastoma is the most common extracranial tumor of childhood. It is characterized by extreme courses of the disease ranging from spontaneous regression to rapid progression with infaust outcome. High expression of the receptor tyrosine kinase TrkA/NTRK1 is associated with a favorable outcome in neuroblastoma. TrkA/NTRK1 had been associated with an upregulation of a major factor in non-homologous end-joining (NHEJ), XRCC4, in SY5Y cells stably expressing TrkA/NTRK1. Here, stably transfected SY5Y cells carrying an inducible vector for TrkA/NTRK1 were used to analyze the effect of this neurotrophin receptor on cell viability, checkpoint activation, and the DNA repair capacity of these cells in response to ionizing irradiation.
No differences in DNA repair capacity were found in response to TrkA/NTRK1-expression. However, inducible TrkA/NTRK1 over-expression induced a deficient G2 checkpoint at both low (1 Gy) and high doses (4 Gy) of ionizing radiation. Furthermore, cell viability was increased in TrkA/NTRK1-positive cells post-IR compared to vector control cells. TrkA/NTRK1-positive cells up-regulated PARP1 and showed significantly increased cell viability compared to TrkA/NTRK1-negative controls after PARP1-inhibition by Olaparib with and without irradiation with 2 Gy.
Amplification of the MYCN oncogene is frequently observed in high-stage neuroblastoma, which cannot be treated currently with curative intent. Furthermore, MYCN amplification is inversely correlated to expression of both the neurotrophin receptor TrkA/NTRK1 and the cell surface glycoprotein CD44. We have found a direct link between TrkA/NTRK1 and up-regulation of CD44 using neuroblastoma cells with inducible, ectopic expression of TrkA/NTRK1. CD44 was elevated both on the mRNA and protein level only after induction and activation of TrkA/NTRK1 by its specific ligand, nerve growth factor (NGF). Furthermore, MYCN protein was found down-regulated in response to TrkA/NTRK1-signaling in MYCN-amplified transfectants with inducible TrkA/NTRK1-expression. Additionally, proliferation rates and clonogenic survival were significantly decreased in TrkA/NTRK1-positive, MYCN-amplified neuroblastoma cell lines.
Taken together, checkpoint deregulation and altered Olaparib response suggest a role for TrkA/NTRK1 in cell cycle regulation and checkpoint control. Furthermore, down-regulation of MYCN in response to TrkA/NTRK1-expression together with decreased clonogenic survival and proliferation of MYCN-amplified neuroblastoma cell lines points to an interaction of TrkA/NTRK1 and MYCN, possibly through CD44- and GSK3ß-signaling
Social networking sites as a source of normative information – empirical investigations on social norm perceptions and consequences for offline behavior
No full textSocial networking sites (SNS) provide the opportunity to keep up with friends and acquaintances and to access information about friends’ and peers’ attitudes and behaviors. Owing to their prevalent use, permanent availability, and due to the interconnectedness of different reference groups, they represent a relevant source for the perception of social norms. Building on psychological theories on social influence, social norms, and observational learning, this dissertation empirically investigates the potential of behavioral displays on SNS to shape receivers’ perceived social norms and to influence their behaviors in the offline world.
In a first study, (potential) social influence effects in the context of Facebook use were explored by means of qualitative interviews. Based on the example of alcohol content, the results reveal that the exposure to friends’ behavioral displays on SNS can elicit thoughts about the friends’ behavior, their approval of the displayed behavior, and their expectations. The anticipated effects on users’ own behaviors are small; stronger effects are expected for others. Moreover, several factors, such as the source of a post, or the frequency of exposure to similar posts, were identified that could facilitate the effects from the users’ perspective.
In addition, two experimental studies were conducted to investigate the effects of other persons’ behavioral displays on SNS in a more systematic way for the context of prosocial behavior: Study 2 comprises a laboratory experiment, in which participants were shown either descriptive or injunctive norm cues on prosocial behavior in status updates, in order to investigate, whether the specific norm focus can influence their prosocial behavioral intentions. Moreover, either Facebook friends or unknown peers were presented as a source of the posts. The results show that users who saw injunctive norm cues about prosocial behavior in the status updates of friends had greater volunteering intentions than persons who saw no prosocial norm cues in the posts of friends. However, no significant effect of the normative cues was found for donation intentions. Moreover, effects on the perception and accessibility of prosocial norms were explored, revealing mixed results concerning the accessibility of prosocial norms and no effects on the perception of descriptive and injunctive norms of volunteering for different types of reference groups.
In the third study, the influence of different rates of exposure to prosocial behavioral displays in status updates was investigated by means of a 6-week online experiment with a between-subjects design and a repeated measures approach. Results reveal that individuals who saw a high number of prosocial behavioral displays had a higher perceived ability to perform prosocial behavior than individuals who did not see any prosocial behavioral displays. Moreover, mediation analyses showed that a positive evaluation of the posts could facilitate the impact of a high exposure rate on receivers’ own prosocial behavior and future intent. No effects of the repeated exposure to prosocial behavioral displays in status updates were found on participants’ perceived social norms regarding prosocial behavior.
The present research enhances the knowledge on social norm perceptions and normative influence in the realm of SNS. The findings concerning the impact of behavioral displays in SNS on receivers’ normative perceptions and offline behavioral outcomes are discussed in the light of potential explanatory mechanisms derived from the psychological literature on social norms and social learning.Soziale Netzwerkseiten (SNS) bieten Nutzenden die Möglichkeit, mit Freunden und Bekannten in Kontakt zu bleiben und Informationen über die Einstellungen und Verhaltensweisen von Freunden und Peers zu erhalten. Durch ihre hohe Prävalenz der Nutzung, permanente Verfügbarkeit und durch die soziale Vernetzung verschiedener Bezugsgruppen stellen sie eine relevante Quelle für die Wahrnehmung von sozialen Normen dar. Vor dem Hintergrund psychologischer Theorien zu sozialem Einfluss, sozialen Normen und zum Beobachtungslernen untersucht diese Dissertation das Potenzial von Verhaltensdarstellungen auf SNS wahrgenommene soziale Normen von Rezipienten zu formen und ihr Verhalten in der Offline-Welt zu beeinflussen.
In einer ersten Studie wurden mit Hilfe von qualitativen Interviews (potenzielle) Effekte von sozialem Einfluss im Kontext der Facebook-Nutzung erforscht. Die Ergebnisse zeigen am Beispiel von Alkohol-Darstellungen, dass das Betrachten von Verhaltensdarstellungen von Freunden auf SNS Gedanken über das Verhalten der Freunde, ihre Akzeptanz des dargestellten Verhaltens sowie ihre Erwartungen auslösen kann. Die antizipierten Effekte von Nutzenden auf das eigene Verhalten sind klein; stärkere Effekte werden für andere erwartet. Des Weiteren konnten verschiedene Faktoren, wie die Quelle eines Posts oder die Häufigkeit der Rezeption von ähnlichen Posts, identifiziert werden, die die Effekte aus Sicht der Nutzenden begünstigen können.
Darüber hinaus wurden zwei experimentelle Studien durchgeführt, um die Effekte von Verhaltensdarstellungen anderer Personen auf SNS systematisch für den Kontext von prosozialem Verhalten zu untersuchen: Studie 2 umfasst ein Laborexperiment, in dem den Teilnehmenden implizite deskriptive oder injunktive Norm-Hinweise zu prosozialem Verhalten in Status-Updates gezeigt wurden, um zu prüfen, inwieweit die jeweilige Norm-Fokussierung prosoziale Verhaltensintentionen beeinflussen kann. Zudem wurden als Quelle der Posts entweder Facebook Freunde oder unbekannte Peers präsentiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Personen, die injunktive Norm-Hinweise über prosoziales Verhalten in den Status-Updates von Freunden sahen, eine größere Intention hatten, sich freiwillig zu engagieren, als Personen, die keine Hinweise auf prosoziale Normen in den Posts von Freunden sahen. Es wurde jedoch kein signifikanter Effekt für Spendenintentionen gefunden. Außerdem wurde exploriert, inwieweit die Wahrnehmung und die Verfügbarkeit von prosozialen Normen durch Status-Updates mit prosozialen Norm-Hinweisen beeinflusst werden kann, wobei sich gemischte Ergebnisse bezüglich der Verfügbarkeit von prosozialen Normen zeigten und keine Effekte auf die Wahrnehmung von deskriptiven und injunktiven Normen zu freiwilligem Engagement für verschiedene Referenzgruppen gefunden wurden.
In der dritten Studie wurde der Einfluss der Anzahl von Status-Updates mit prosozialen Verhaltensdarstellungen untersucht, die Personen im Rahmen eines 6-wöchigen Experiments mit Between-Subjects Design und einer Wiederholungsmessung sahen. Die Ergebnisse zeigen, dass Personen, die viele prosoziale Verhaltensdarstellungen sahen, ihre Fähigkeit sich prosozial zu verhalten größer einschätzten, als Personen, die keine prosozialen Verhaltensdarstellungen sahen. Darüber hinaus konnten Mediationsanalysen zeigen, dass die Wirkung einer hohen Anzahl von prosozialen Verhaltensdarstellungen auf das eigene prosoziale Verhalten von Rezipienten sowie auf ihre Verhaltensintentionen durch eine positive Bewertung der Posts begünstigt werden könnte. Es wurden keine Effekte der wiederholten Betrachtung von prosozialen Verhaltensdarstellungen in Status-Updates auf die wahrgenommenen Normen der Teilnehmenden hinsichtlich prosozialen Verhaltens gefunden.
Die vorliegende Forschungsarbeit erweitert den Wissensstand zur Wahrnehmung von Normen und zu normativem Einfluss im Bereich sozialer Netzwerkseiten. Die Ergebnisse bezüglich der Wirkung von Verhaltensdarstellungen auf SNS auf die Wahrnehmung von Normen und die Auswirkungen auf Offline-Verhalten werden vor dem Hintergrund potenziell erklärender Mechanismen aus der psychologischen Literatur zu sozialen Normen und sozialem Lernen diskutiert