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Charakterisierung der Mikroflüssigkeitschromatographie – Ableitung theoretischer Leistungsgrenzen und praktische Aspekte für die Routineanalytik am Beispiel der Zytostatika
No full textMiniaturized liquid chromatography (LC) is ideally suited to reduce the resource consumption without compromising data quality in the analytical laboratory. However, the applicability and handling of miniaturized LC in routine analysis is often being questioned. In addition, only little information on the theoretical performance limits of this separation technique is available. Therefore, the aim of this study was the characterization of micro-liquid chromatography (micro-LC) from the theoretical and practical point of view. For the evaluation the development of a fast method for the analysis of antineoplastic drugs from wipe samples using micro-LC-MS/MS was applied. The investigated analytes comprise polar as well as non-polar compounds. In addition, three critical peak pairs were included that either cannot be differentiated by mass spectrometry or are affected by ion suppression at co-elution. Therefore, a chromatographic separation was mandatory. Micro-LC was used as separation dimension using a column with an inner diameter of 300 µm due to the advantages of reduced resource consumption and high linear velocity leading to increased sample throughput. To achieve a chromatographic separation, a suitable chromatographic phase system was identified by principal component analysis (PCA). Afterwards, the column efficiency was investigated using van Deemter and kinetic plot analysis for isocratic and gradient elution. The results indicate a higher packing quality of the sub-2 µm fully porous particle packed column compared to larger particle diameters of various morphology. In addition, similar values for the reduced plate height were found in micro-LC compared to conventional column inner diameters (≥ 2.1 mm). The investigation of peak capacity also demonstrates the benefit of sub-2 µm fully porous particles for gradient times between 5 s and 5 min. Further optimization of the extraction efficiency, ion source parameters and system design was done to establish the method on basis of micro-LC-MS/MS. This hyphenation technique enables to separate the target analytes within 2.5 min at a flow rate of only 25 µL min-1. Thereby the sample throughput can be increased by a factor of 2 reducing the resource consumption by 98% compared to the previously used conventional LC-MS/MS method. Method validation was accomplished to demonstrate that sensitivity and robustness of the developed method is given in a routine environment. Furthermore, it was shown that the method can be used to analyze real samples from hospital pharmacies in order to verify the reference value of 0.1 ng cm-2 for workplace contamination of antineoplastic drugs. In summary, it was exemplarily demonstrated that micro-LC can successfully replace conventional LC-MS in targeted ultrasensitive MS analysis.Verfahren wie die miniaturisierte Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (LC) sind ideal geeignet, um den Verbrauch an Ressourcen zu verringern ohne dabei die Datenqualität im analytischen Labor negativ zu beeinflussen. Nichtsdestotrotz wird die Anwendbarkeit dieser Technik in der Routineanalytik aufgrund der Handhabbarkeit oftmals kritisch hinterfragt. Des Weiteren sind nur wenige Informationen bezüglich der theoretischen Leistungsfähigkeit dieser Trenndimension verfügbar. Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Arbeit die Charakterisierung der Mikro-Flüssigkeitschromatographie (Mikro-LC) aus Sicht der Theorie und Praxis. Zur Bewertung wurde die Entwicklung einer schnellen Analysenmethode ausgewählter Zytostatika von Wischproben mittels Mikro-LC-MS/MS verwendet. Die untersuchten Analyten umfassen dabei sowohl polare als auch unpolare Substanzen. Weiterhin sind drei kritische Peakpaare enthalten, bei denen entweder eine Ionensuppression bei Koelution beobachtet wird oder eine Unterscheidung mittels Massenspektrometrie nicht möglich ist. Aus den genannten Gründen ist eine chromatographische Trennung notwendig. Um dies zu erreichen, wurden Mikro-LC-Säulen mit einem Innendurchmesser von 300 µm eingesetzt. Dies bietet neben dem reduzierten Verbrauch von Ressourcen den Vorteil, dass durch hohe lineare Fließgeschwindigkeiten ein erhöhter Probendurchsatz generiert werden kann. Um eine chromatographische Trennung zu erreichen, wurde ein geeignetes Phasensystem durch den Einsatz der Hauptkomponentenanalyse (PCA) identifiziert. Anschließend wurde die Effizienz miniaturisierter Trennsäulen mittels van Deemter und Kinetic Plot Analyse sowohl für die isokratische Arbeitsweise als auch für die Gradientenelution untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass vollporöse Partikel mit einem Partikeldurchmesser von kleiner 2 µm (sub-2 µm) eine verbesserte Packungsqualität gegenüber größeren Partikeln unterschiedlicher Morphologie aufweisen. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass im Vergleich zu konventionellen Innendurchmessern vergleichbare Packungsqualitäten erreicht werden können. Die Untersuchung der Peakkapazität für Gradientenlaufzeiten zwischen 5 s und 5 min ergab, dass mit vollporösen sub-2 µm Partikeln eine höhere Peakkapazität pro Zeiteinheit generiert werden konnte. Des Weiteren wurden neben dem Systemaufbau, die Extraktionseffizienz sowie die Ionenquellenparameter optimiert, um die Methode auf Basis der Mikro-LC-MS/MS zu etablieren. Durch diese Kopplung konnten die Komponenten innerhalb von 2.5 min bei einer Flussrate von lediglich 25 µL min-1 getrennt werden. Dadurch konnte der Probendurchsatz um den Faktor 2 bei gleichzeitiger Reduzierung der Ressourcen um 98% im Vergleich zur zuvor etablierten konventionellen LC-MS/MS gesteigert werden. Anschließend wurden Validierungsdaten erhoben, um die Sensitivität und Robustheit der entwickelten Methode im Routineumfeld zu demonstrieren. Anhand von Realproben aus Krankenhausapotheken wurde gezeigt, dass der Referenzwert für die Arbeitsplatzkontamination von Zytostatika von 0,1 ng cm-2 mittels der Methode überprüft werden kann. Damit konnte exemplarisch gezeigt werden, dass die Mikro-LC qualifiziert ist, die konventionelle LC-MS im Bereich der ultra-sensitiven Targetanalytik zu ersetzen
Induction of site-specific methylation in induced pluripotent stem cells of a patient with Angelman syndrome
No full textIn this study, an iPSC model of Angelman syndrome was developed. iPSCs were generated from an Angelman syndrome patient harbouring a three-base pair deletion in the maternal UBE3A allele and from a healthy control person. The maternal UBE3A allele is expressed but the protein UBE3A is not functional. Therefore, the cells exhibit normal expression of all genes at the PWS/AS locus. In comparison with all iPSC lines generated as a model of Angelman syndrome so far, this is a significant advantage because all observed effects may be attributed directly and solely to the inactive UBE3A protein.
Using lentiviral transduction, we reprogrammed fibroblasts from the patient and from the healthy control person, and isolated several clones. Their thorough characterisation followed confirming their pluripotency, identity and integrity by various methods. Based on the results, clones most suitable for further analyses were selected. The stability of the imprint at the PWS/AS locus is a critical prerequisite for the faithful analysis of imprinted expression and for the induction of DNA methylation on the paternal allele. Therefore, the methylation status at six imprinted loci and two pluripotent loci was determined in the iPSCs generated at the beginning of this project, their parental fibroblasts, in hESCs H1 and H9, and in published cell lines AGI-0 and MCH2-10 that represented iPSC controls. Most importantly, I observed an exceptional stability of the methylation imprint at PWS-SRO. Three imprinted loci showed a tendency towards a loss of methylation and two exhibited susceptibility to acquiring methylation. Both pluripotent loci displayed a higher level of methylation in differentiated cells than in pluripotent cells. My results on the stability of the assayed loci upon reprogramming are in agreement with previously reported observations.
In cooperation with Anika Neureiter from the Institute for Transfusion Medicine, iPSCs were differentiated into neurons. We determined by single-nucleotide primer extension assay that silencing of the paternal UBE3A allele by SNHG14 occurs late during the process of neuronal differentiation. These findings are also in line with previously published results. I developed a quantitative qRT-PCR analysis to follow the expression dynamics of the maternal and the paternal UBE3A allele separately in the generated iPSCs during differentiation. The method allows for a much more precise evaluation of the respective alleles’ expression than single-nucleotide primer extension assay.
In the second part of the study, I aimed to induce methylation at the paternal PWS-SRO in the cell line AGI-0, which only harbours the unmethylated paternal allele. I observed a transient increase of methylation at the paternal PWS-SRO to 38.6 % upon transfecting the cells with
methylated DNA fragments. By employing the modified CRISPR/Cas9 system fused with DNMT3A and DNMT3L, I was able to induce methylation at the paternal PWS-SRO in AGI-0 to 30.0 %. Not only was the methylation stable at the locus over the course of two weeks but its level also increased during the time. The result is especially valuable because the approach does not require mitosis for its functioning and could therefore potentially be used even in non-dividing cells such as neurons.
It would certainly be worthwhile to pursue the stability of the induced methylation in a longer time-course experiment. Also, the investigation of a direct biological impact in the form of a qRT-PCR assay of SNURF-SNRPN expression would be of importance. The effect of the methylation on the expression of SNHG14 in neurons is even more relevant for my purposes and so is the subsequent impact on the expression of UBE3A. Should the methylation lead to abolishment of SNHG14 expression and thereby prevent silencing of the paternal UBE3A allele in neurons, it would be a significant step towards possible compensation for the loss of maternal UBE3A by the intact paternal allele. Therefore, further optimisation of the method and its application in iPSCs generated in this study ought to be performed.In dieser Arbeit wurde ein iPS-Zellmodell für das Angelman-Syndrom etabliert. Wir generierten iPS-Zellen von einem Angelman-Syndrom Patienten mit einer Deletion von 3 bp im mütterlichen UBE3A Allel, sowie von einer gesunden Kontrollperson. Durch diese definierte Mutation im mütterlichen UBE3A Allel exprimieren die Zellen UBE3A, aber das daraus hergestellte Protein ist nicht funktionell. Die Zellen zeigen somit eine normale Expression aller Gene im PWS/AS Genlokus. Im Vergleich mit allem bisher als Modell für das Angelman-Syndrom generierten iPS-Zelllinien ist das ein bedeutsamer Vorteil, denn so können beobachtete Effekte direkt und ausschließlich auf das inaktive UBE3A-Protein zurückgeführt werden.
Mithilfe lentiviraler Transduktion wurden sowohl patienten-spezifische Fibroblasten, als auch Kontrollfibroblasten in iPS-Zellen reprogrammiert und anschließend einige Klone isoliert. Ihre Charakterisierung mittels verschiedener Methoden bestätigte die Pluripotenz, Identität und Integrität der Zellen. Die meistgeeigneten Klone wurden für weitere Analysen ausgewählt. Eine kritische Voraussetzung für die Analyse der geimprinteten Expression und der Induktion von DNA-Methylierung auf dem väterlichen Allel ist die Stabilität des Methylierungsimprints des PWS/AS-Genlokus. Daher wurde der Methylierungsstatus an sechs geimprinteten Lozi und zwei mit Pluripotenz assoziierten Lozi in den in dieser Studie generierten Zelllinien, in deren elterlichen Fibroblasten, in den humanen embryonalen Stammzelllinien H1 und H9, sowie in den publizierten iPS-Zelllinien AGI-0 und MCH2-10, welche iPS-Kontrollen darstellten, bestimmt. Der Imprint des PWS-SROs erwies sich als außergewöhnlich stabil. Drei der geimprinteten Lozi wiesen eine Tendenz zur Hypomethylierung auf, während die zwei anderen Lozi eine Neigung zur Hypermethylierung zeigten. Die Methylierung an den beiden mit Pluripotenz assoziierten Lozi war in differenzierten Zellen höher als in pluripotenten Zellen. Die Ergebnisse bezüglich Stabilität geimprinteter Lozi unter Reprogrammierung entsprechen zuvor publizierten Erkenntnissen.
Die Differenzierung von iPS-Zellen in Neurone erfolgte in Kooperation mit Anika Neureiter aus dem Institut für Transfusionsmedizin. Mithilfe der single-nucleotide primer extension Methode wurde festgestellt, dass die Stilllegung des väterlichen UBE3A Allels durch SNHG14 erst spät während der neuronalen Differenzierung auftritt. Auch diese Ergebnisse stehen im Einklang mit früheren Beobachtungen. Es wurde eine quantitative qRT-PCR-Analyse entwickelt, die die Untersuchung der Expressionsdynamik beider elterlichen Allele getrennt in den generierten iPS-Zellen während neuronaler Differenzierung zulässt. Diese Methode ermöglicht eine Evaluierung der Expression der jeweiligen UBE3A-Allele, die viel präziser ist als die der single-nucleotide primer extension Analyse.
Im zweiten Teil des Projektes wurden Experimente zur Einführung von Methylierung am väterlichen PWS-SRO der Zelllinie AGI-0, die nur das unmethylierte väterliche Allel enthält, durchgeführt. Transiente Methylierung von 38.6 % wurde mittels Transfektion der Zellen mit methylierten DNA-Fragmenten erzielt. Durch den Einsatz eines modifizierten CRISPR/Cas9-Systems, in dem Cas9 fusioniert mit DNMT3A und DNMT3L vorliegt, wurde Methylierung von 30.0 % am väterlichen PWS-SRO induziert. Die Methylierung war über zwei Wochen stabil und das Ausmaß nahm in dieser Zeitspanne zu. Dieses Ergebnis ist von Bedeutung vor allem wegen der Unabhängigkeit des Verfahrens von Mitose, durch die die Verwendung der Methode in sich nicht teilenden Zellen wie Neuronen sehr vielversprechend ist.
Es wäre interessant die Stabilität der induzierten Methylierung über einen längeren Zeitraum zu verfolgen. Weiterhin wäre die Erforschung direkter biologischer Auswirkung der Methylierung auf die Expression von SNURF-SNRPN von Bedeutung. Die Auswirkung auf die Expression von SNHG14 in Neuronen wäre noch wichtiger und gleichermaßen der nachfolgende indirekte Einfluss auf die Expression von UBE3A. Sollte die Methylierung die Expression von SNHG14 unterdrücken und dadurch die Stilllegung des väterlichen UBE3A Allels verhindern, wäre das ein wichtiger Schritt zur potentiellen Kompensierung des Verlustes des mütterlichen UBE3A Allels durch das intakte väterliche Allel. Deshalb sollte eine weitere Optimierung der Methode und deren Einsatz in den in dieser Studie generierten iPS-Zellen unbedingt verfolgt werden
Die Effekte der Zuwanderung auf den deutschen Arbeits- und Wohnungsmarkt: Eine empirische Analyse
Get PDFDie vorliegende Dissertation liefert empirische und methodische Beiträge zur Identifizierung der Auswirkung von Zuwanderung auf die deutsche Wirtschaft. Es wurden die Auswirkungen der Zuwanderung auf zwei wichtige Märkte untersucht - den Arbeitsmarkt und den Wohnungsmarkt. Ich finde keine Evidenz für die Hypothese negativer Zuwanderungseffekte auf dem Arbeitsmarkt. Stattdessen wurde übereinstimmend mit früheren Studien ein größerer positiver Effekt von hochqualifizierten Zuwanderern auf die Beschäftigungswahrscheinlichkeiten und die Löhne von Einheimischen geschätzt. Meine Ergebnisse zeigen außerdem, dass die Einheimischen auf eine Zunahme der ausländischen Arbeitnehmer mit einem Wechsel von einfachen zu komplexen Tätigkeiten reagieren. Die Analysen zeigen ebenfalls einen positiven Effekt der kulturellen Vielfalt auf die Mietpreise der deutschen Kreise und kreisfreien Städte für die Jahre zwischen 2004 und 2013. Ein Anstieg des Herfindahl-Index – eine Maß für kulturelle Vielfalt - von 0,1 würde die Mieten um mehr als 12 Prozent erhöhen, wenn für relevante erklärende Variablen und unbeobachtete zeitinvariante Effekte kontrolliert wird. Auf der anderen Seite ist ein Anstieg des Ausländeranteils als homogene Gruppe mit einem Rückgang der Mieten verbunden. Die Ergebnisse deuten auf eine ökonomische Auswirkung hin, die von der Größenordnung her von Effekten der Zuwanderung auf den Arbeitsmärkten abweichen. Folglich kann kulturelle Vielfalt als eine stadtspezifische Annehmlichkeit betrachtet werden. Die positive Auswirkung der kulturellen Vielfalt auf den lokalen Wohnungsmärkten spiegelt die Bereitschaft der Bewohner wider, höhere Mieten in Städten mit einem hohen Maß an Vielfalt zu zahlen. Einheimische bevorzugen zwar kulturell diversifizierte Gebiete, vermeiden aber, Regionen mit hohem Ausländeranteil. Diese Ergebnisse zeigen, dass Annehmlichkeiten der Städte eine Rolle bei der Wohnortentscheidung spielen.This thesis offers empirical and methodological contributions to the literature that has tried to estimate the effects of immigration on the German economy. In it, I have examined the impact of immigration on two important markets — the labor market and the rental housing market. I find no support for the hypothesis of adverse labor market effects of immigration. Instead, consistent with previous literature, I find a larger positive effect of highly skilled immigrants on employment probabilities and the wages of natives. Moreover, my results show that the natives respond to an increase in the share of foreign-born workers by increasing their supply of complex tasks. This thesis documents a positive impact of cultural diversity on the rental prices of German districts between 2004 and 2013. On the one hand, an increase in the Herfindahl index, as a measure of cultural diversity of 0.1, would increase rents by over 12 % after controlling for relevant explanatory variables, and city and time fixed effects. On the other hand, an increase in the share of foreign-born individuals is associated with a decrease in rents. These results suggest an economic impact that is bigger than that found in the labor markets. Consequently, cultural diversity can be considered to be a city-specific amenity. The positive impact of cultural diversity on the local housing market mirrors the fact that the inhabitants are willing to pay higher rents in cities with a high level of diversity. Natives prefer to live in culturally diverse areas, but they avoid living in areas where the share of foreigners is too high. These findings show that amenity considerations play a role in making decisions on residential location
Microbial degradation of naphthalene under anaerobic conditions
No full textDie initiale Aktivierung des unsubstituierten bizyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffs Naphthalin geschieht im anaeroben Abbauweg durch eine Naphthalin Carboxylase. Die De-aromatisierung wird danach durch mehrere Aryl-CoA Reduktasen realisiert, welche nur mit Substraten reagieren können die zuvor Bildung eines einen Coenzym A Thioester aktiviert wurden. In dieser Arbeit wurde die 2-Naphthoat:CoA Ligase identifiziert, welche die beiden zuvor beschrieben metabolischen Schritte miteinander verknüpft. Die Substrat-Spezifität dieses Enzyms wurde in zellfreien Extrakten der beiden Sulfat-reduzierenden Naphthalin-abbauenden Bakterienstämme N47 und NaphS2 charakterisiert. Zudem wurde das Enzym aus NaphS2 heterolog in Escherichia coli produziert. Dies ermöglicht die biochemische Charakterisierung des isolierten Ligase-Enzyms in zukünftigen Arbeiten.
Vorhergehende Untersuchungen zeigten, dass das Zwischenprodukt der de-aromati-sierenden Reaktionen, 5,6,7,8-Tetrahydro-2-naphthoyl-CoA (THNCoA), durch eine ATP-abhängige und Sauerstoff-sensitive Reduktase mit NADH als Elektronendonor weiter reduziert wird zu einem Hexahydro-2-naphthoyl-CoA. Allerdings wurde in diesen Arbeiten nur eine teilweise Umsetzung des Substrats erreicht und die genaue Konformation des Produkts konnte nicht ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass 2-Oxoglutarat der natürliche Elektronendonor des THNCoA reduzierenden Systems ist und dass das Produkt sehr wahrscheinlich 4,4a,5,6,7,8-Hexahydro-2-naphthoyl-CoA ist. Dies impliziert einen weiteren Abbauweg analog zum anaeroben Benzoyl-CoA Weg, wie er für Thauera aromatica beschrieben wurde. Die erste Ringöffnung würde in diesem Weg zwischen C2 und C3 stattfinden. Eine Seitenkette würde dann durch β-Oxidations ähnliche Reaktionen um eine Acetyl-CoA Einheit verkürzt, wodurch sich cis-2-(Carboxymethyl)cyclohexan-1-carboxyl-CoA ergibt. Die freie Säure dieses Metaboliten wurde bereits durch frühere Metabolitanalysen in der Naphthalin-abbauenden Anreicherungskultur N47 identifiziert.
Die an diesen metabolischen Schritten beteiligten Enzyme werden von Genen aus dem thn-Operon codiert, welches in dieser Arbeit identifiziert wurde. Bei diesen Enzymen handelt es sich einerseits um die vier Untereinheiten der zuvor erwähnten THNCoA Reduktase sowie andererseits beispielsweise um mutmaßliche Hydratasen, Hydrolasen, Dehydrogenasen und Thiolasen. Die meisten dieser Enzyme konnten heterolog in E. coli produziert werden und die postulierten Enzymfunktionen wurden teilweise durch Enzymassays mit allgemeinen Substrat-Analoga nachgewiesen.
Wie in der vorliegenden Arbeit dargestellt, gehen die weiteren metabolischen Schritte von cis-2-(2-Carboxycyclohexyl)acetyl-CoA aus. Ebenso wie der oben erwähnte Metabolit
cis-2-(carboxymethyl)cyclohexane-1-carboxyl-CoA ist auch diese Verbindung ein CoA-Ester Derivat der cis-2-(Carboxymethyl)cyclohexan-1-carboxyl Säure, wobei der CoA-Ester in diesem Fall an der anderen Carboxyl-Gruppe sitzt. Die mutmaßliche CoA-Transferase ThnP, welche von einem Gen des thn-Operons codiert wird, könnte den intramolekularen CoA-Transfer katalysieren, welcher für die Bildung von cis-2-(2-Carbox-ycyclohexyl)acetyl-CoA benötigt wird. Dieser Metabolit wird anschließend durch eine Acyl-CoA Dehydrogenase und eine Enoyl-CoA Hydratase zu cis-2-(1-Hydroxy-2-carboxy-cyclohexyl)acetyl-CoA umgesetzt, welches dann möglicherweise als Substrat für eine neuartige ringöffnende Lyase dient. Die Möglichkeit einer solchen Lyase-Reaktion wurde abgeleitet aus Sequenzähnlichkeiten von zwei im thn-Operon codierten Enzymen (ThnQ und ThnS, die vermutlich einen Enzymkomplex ThnQS bilden) zu einer anderen postulierten Lyase. Das Produkt dieser Layse-Reaktion wäre 3-Oxoazeloyl-CoA, wodurch eine Verknüpfung zu zentralen Stoffwechselintermediaten über Pimeloyl-CoA und Glutaryl-CoA impliziert wird. Die Umsetzung dieser beiden Metabolite in zellfreien Extrakten von N47 und NaphS2 konnte in dieser Arbeit gezeigt werden. Damit wurde erstmals ein möglicher Stoffwechselweg für den anaeroben Abbau von Naphthalin bis hin zum zentralen Metabolismus aufgezeigt.
Bei Betrachtung der am anaeroben Naphthalin-Abbauweg beteiligten Enzyme fielen Abwei-chungen zu den Enzymen des Benzoyl-CoA Wegs auf: Obwohl zuvor postuliert wurde, dass strikt anaerobe Benzoat-Abbauer generell eine ATP-unabhängige Benzoyl-CoA Reduktase aufweisen, konnte gezeigt werden, dass die Reduktion des Benzoyl-CoA Analogons THNCoA in Sulfat-reduzierende Naphthalin-Abbauern von einem ATP-abhängigen Enzym katalysiert wird. Des Weiteren wurde weder in N47 noch in NaphS2 ein homologes Enzym zur 6-Oxo-cyclohex-1-en-1-carboxyl-CoA Hydratase/Hydrolase gefunden, welche üblicherweise in Benzoyl-CoA Abbauwegen über das zyklische Dien-Intermediat Cyclohexadiencarboxyl-CoA vorkommen. Dennoch wurde auch im anaeroben Naphthalin-Abbauweg ein zyklisches Dien-Intermediat, β’-Hydroxy-β-oxodecahydro-2-naphthoyl-CoA, identifiziert. Dieses wird möglicherweise nacheinander von zwei separaten Crotonase-ähnlichen Enzymen, einer Hydratase und einer Hydrolase, umgesetzt, wodurch der erste Ring geöffnet wird. Generell deutete die Phylogenie der innerhalb des thn-Operons codierten Crotonase-ähnlichen Enzyme eher auf einen Abbauweg über das zyklische Monoen-Intermediat Octahydro-2-naphthoyl-CoA hin, aber die im Anschluss an das THNCoA Reduktase Produkt auftretenden Metabolite bewiesen eindeutig, dass die β-Oxidations ähnliche Sequenz des weiteren Abbauwegs von Hexahydro-2-naphthoyl-CoA ausgeht. Diese Sequenz scheint daher von ungewöhnlichen Enzymen katalysiert zu werden, welche charakteristisch für anaerobe Mikroorganismen sein könnten, die polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) abbauen.
Auch die postulierte Ring-öffnende Lyase ThnQS würde ein komplett neuartiges Enzym dar-stellen, falls dieses tatsächlich wie vermutet die Öffnung des zweiten Rings ermöglicht. Die entsprechenden Gene (thnQ und thnS) sind ebenso wie die Gene für die zuvor beschriebenen ungewöhnlichen Crotonase-ähnlichen Enzyme aussichtsreiche Kandidaten für Gen-Marker, welche die Detektion von Bakterien mit der Fähigkeit zum anaeroben Abbau von Naphthalin oder anderen PAKs ermöglichen könnten. Ähnliche Lyase-Reaktionen könnten auch ein allgemeines Prinzip für den Abbau polyzyklischer Verbindungen darstellen, da sie eine einfach Möglichkeit für die Öffnung von Ringsystemen mit mehr als einer Seitenkette oder für die Linearisierung verzweigter Intermediate bieten. Eine dieser beiden Arten von Intermediaten tritt unausweichlich während des Abbaus polyzyklischer Verbindungen auf. Es wird daher interessant sein zu sehen, ob Enzyme mit Ähnlichkeit zu ThnQS in Zukunft auch in anderen PAK-abbauenden Kulturen identifiziert werden können.In the anaerobic degradation pathway of naphthalene, initial activation of this unsubstituted bicyclic aromatic hydrocarbon is achieved via a naphthalene carboxylase (Mouttaki et al., 2012). Dearomatisation is then realised through aryl-CoA reductases (Eberlein et al., 2013a) which require a prior activation of the substrate by the formation of a CoA-thioester. The 2-naphthoate:CoA ligase identified in this work (chapter 2) therefore serves as a link for the previously described metabolic steps. The substrate specificity of this enzyme was characterised in cell free extracts of the sulphate-reducing naphthalene degraders N47 and NaphS2. In addition, the enzyme from NaphS2 could also be heterologously produced in E. coli. Further studies will focus on the characterisation of the pure ligase enzymes.
An antecedent study showed that the intermediate 5,6,7,8-tetrahydro-2-naphthoyl-CoA (THNCoA) is further reduced to a hexahydro-2-naphthoyl-CoA by an ATP-dependent and oxygen-sensitive reductase with NADH as electron donor (Eberlein et al., 2013a). However, only a partial conversion of the substrate could be achieved in the referred study and the conformation of the product remained unclear. This work provides evidence that 2-oxoglutarate is the natural electron donor of the THNCoA reducing system and that most likely 4,4a,5,6,7,8-hexahydro-2-naphthoyl-CoA is the product of this reduction (chapter 4). This implies a downstream pathway analogous to the benzoyl-CoA pathway described for T aromatica (Harwood et al., 1999) with cleavage of the first ring occurring between C2 and C3. Through β-oxidation-like reactions, one side-chain of the cleavage-product is then shortened by one acetyl-CoA unit resulting in
cis-2-(carboxymethy)cyclohexane-1-carboxyl-CoA. The free acid of this compound was also identified as a metabolite of the naphthalene-degrading enrichment culture N47 in prior metabolomic analyses (Annweiler et al., 2002).
The enzymes responsible for these metabolic steps are encoded by the thn-operon which was identified in this work (chapter 3). This operon contains genes coding for the four subunits of the THNCoA reductase as well as for putative hydratases, hydrolases, dehydrogenases and thiolases. Most of these enzymes could be heterologously produced in E. coli and in some cases the postulated enzyme function could also be verified via enzyme tests with general substrate analogues.
As elucidated in chapter 5, the further downstream pathway proceeds through
cis-2-(2-carboxycyclohexyl)acetyl-CoA. Like the aforementioned cis-2-(carboxymethy)-cyclohexane-1-carboxyl-CoA, this compound is also a CoA-ester derivative of cis-2-(car-boxymethy)cyclohexane-1-carboxylic acid but with the CoA-thioester attached at the other carboxyl group. The putative CoA-transferase ThnP encoded by the thn-operon might catalyse the required intramolecular transfer of the CoA-thioester to form
cis-2-(2-carboxycyclohexyl)acetyl-CoA. Subsequently, the latter is converted by an acyl-CoA dehydrogenase and an enoyl-CoA hydratase yielding cis-2-(1-hydroxy-2-carboxy-cyclohexyl)acetyl-CoA, which might be the substrate for a novel ring-opening lyase. This lyase reaction was deduced from sequence homologies of two enzymes encoded by the thn-operon (ThnQ and ThnS, presumably forming an enzyme complex ThnQS) to another proposed lyase. The lyase would yield 3-oxoazeloyl-CoA which implies a link to central metabolism via pimeloyl-CoA and glutaryl-CoA. The conversion of the latter two metabolites in cell free extracts of N47 and NaphS2 was demonstrated in this work. This is the first time that a complete metabolic route towards central metabolism was delineated for the anaerobic degradation of naphthalene.
Regarding the involved enzymes, some discrepancies between the benzoyl-CoA and the 2-naphthoyl-CoA degradation pathway were observed: Although it was postulated that strict anaerobic benzoate degraders generally employ an ATP-independent benzoyl-CoA reductase (Loeffler et al., 2011), it could be shown that the reduction of the benzoyl-CoA analogue THNCoA in sulphate-reducing naphthalene degraders is catalysed by an ATP-dependant enzyme. Furthermore, no enzyme similar to the crotonase-like 6-oxo-cyclohex-1-ene-1-carboxyl-CoA hydratase/hydrolase that usually occurs in the benzoyl-CoA pathway proceeding via the cyclic diene intermediate cyclohexadienecarboxyl-CoA (Kuntze et al., 2008) is present in N47 or NaphS2. The cyclic diene metabolite
β’-hydroxy-β-oxodecahydro-2-naphthoyl-CoA identified in the downstream pathway of anaerobic naphthalene degradation (see chapter 4) might be converted by the concerted action of two separate enzymes, a hydratase and hydrolase, leading to the cleavage of the first ring. In general, the phylogeny of the crotonase-like enzymes encoded by the thn-operon indicates reactions on intermediates derived from the cyclic monoene octahydro-2-naphthoyl-CoA, but the metabolites detected downstream of the THNCoA reductase product clearly prove that the β-oxidation-like sequence starts from hexahydro-2-naphthoyl-CoA. Therefore, this sequence seems to be catalysed by unusual enzymes that might be specific for anaerobic of PAH degraders.
Furthermore, the putative ring-opening lyase ThnQS, which is assumed to mediate cleavage of the second ring, would represent a completely novel enzyme once its function is proven. The respective genes (thnQ and thnS) as well as the ones coding for the aforementioned unusual crotonase-like enzymes might therefore be suitable as gene markers for the detection of anaerobic bacteria capable of degrading naphthalene or other PAHs. Comparable lyase reactions might be a common principle of degradation pathways of polycyclic compounds since they offer a convenient solution for cleaving ring systems with more than one side-chain or for the linearisation of branched intermediates. Either of these types of metabolites inevitably occurs during the degradation of polycyclic compounds. Thus it will be interesting to see if enzymes similar to ThnQS can also be identified in other PAH-degrading cultures in the future.
In this work, most of the metabolic steps in the downstream pathway of anaerobic naphthalene degradation starting from THNCoA were measured in cell free extracts of sulphate-reducing naphthalene degraders and furthermore the thn-operon coding for the enzymes involved in the downstream pathway was identified. The objective of further studies should be the linkage of the observed reactions in cell free extracts to the catalytic function of specific proteins.
Up to now, this attempt was hampered by the fact that the conformation of the hexahydro-2-naphthoyl-CoA isomer produced by the THNCoA reductase could not be identified and the conformations of downstream metabolites were likewise unknown. Therefore, the heterologously produced enzymes could not be assayed towards their native substrates yet. The results obtained in this work revealed that the reductase product is most likely 4,4a,5,6,7,8-hexahydro-2-naphthoyl-CoA, albeit this needs to be verified by NMR-analysis. This identification enables a targeted chemical synthesis of the naturally occurring isomer. However, the appropriate activity of the 2-naphthoate:CoA ligase from N47 towards its substrate analogue 5,6,7,8-tetrahydro-2-naphthoate (see chapter 2) might enable a more convenient enzymatic synthesis via a coupled system consisting of a CoA-ligase reaction on 5,6,7,8-tetrahydro-2-naphthoate and a subsequent THNCoA reductase reaction in cell free extracts. When running the reductase assay with 2-oxo-glutarate as electron donor, a complete conversion of THNCoA can be achieved and downstream processes can by inhibited by amending the assay mixture with an excess of NADH (see chapter 4). This strategy has the advantage that it should yield only the naturally occurring isomer of hexahydro-2-naphthoyl-CoA.
Starting from this hexahydro-2-naphthoyl-CoA isomer, a stepwise conversion through candidate enzymes encoded by the thn-operon should be possible, whereas the product of one conversion would serve as substrate for the subsequent enzyme. Finally, these coupled enzymatic conversions should result in a reproduction of the metabolic steps observed in assays with cell free extracts and to an assignment of a metabolic function to all enzymes encoded by the thn-operon
Structural and functional characterization of parvulin 42 from Trypanosoma brucei
No full textParvuline gehören zur Gruppe der Peptidyl-Prolyl-cis/trans-Isomerasen (PPIasen) und katalysieren die Isomerisierung von Peptidyl-Prolyl-Bindungen. Sie spielen sowohl bei der Proteinfaltung als auch bei der Funktionsregulation anderer Proteine eine wichtige Rolle. 2010 wurde das 42 kDa große Parvulin aus dem humanen Pathogen T. brucei als neues Familienmitglied identifiziert. Das Mehrdomänen-Protein verfügt neben der konservierten C-terminalen PPIase-Domäne über eine N-terminale FHA-Domäne.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das TbPar42 strukturell sowie funktionell mit NMR-Spektroskopie charakterisiert. Wegen des hohen Molekulargewichts wurden einzelne Teilkonstrukte von TbPar42 (Domänen und der zwischenliegende Linker) exprimiert und deren 3D-Strukturen in Lösung aufgeklärt. Mit Hilfe von HSQC- und TROSY-Experimenten konnte gezeigt werden, dass die strukturierten Domänen im vollständigen Protein über einen größtenteils unstrukturierten Linker verbunden sind und nicht miteinander wechselwirken.
Obwohl die TbPar42-PPIase-Domäne über eine Parvulin-Topologie verfügt und strukturell dem humanen phosphospezifischen Parvulin-Vertreter Pin1 ähnelt, konnte gegenüber potentiellen phosphorylierten Substraten keine Isomeraseaktivität festgestellt werden. Da in Protease-gekoppelten Isomeraseassays auch keine Aktivität gegenüber unphosphorylierten Motiven beobachtet wurde, muss bei der TbPar42-PPIase von einer katalytisch inaktiven Domäne ausgegangen werden. Anders als für einige prokaryotische Parvuline, ließ sich für TbPar42 in einem Rückfaltungs-Assay auch keine Chaperonaktivität nachweisen.
Die FHA-Domäne des TbPar42 wurde zusammen mit den 30 Aminosäuren des vorausgehenden N-Terminus exprimiert und strukturell untersucht. Während der N-Terminus flexibel und unstrukturiert ist, ist die FHA-Domäne in Form eines 11-strängigen β-Faltblatt-Sandwiches gefaltet, mit zusätzlichen helikalen Elementen auf der Seite des 5-strängigen Faltblattes. TbPar42-FHA ist in der Lage Phosphothreonin-Peptide zu binden. Wie bei anderen FHA-Domänen bekannt, sind auch bei TbPar42 an dieser Bindung hauptsächlich Loop-Regionen des Proteins beteiligt. Typische FHA-Domänen favorisieren die Bindung von Peptiden mit einer bestimmten Aminosäure an der dritten Position nach dem Phosphothreonin (pTXXD- oder pTXXI/V/L-Motive). Eine solche Präferenz ließ sich für die TbPar42-FHA in NMR-Titrationsstudien mit Heptapetiden nicht belegen.
Die TbPar42-FHA hat eine hohe strukturelle Übereinstimmung mit der NIPP1-FHA, die eine Funktion beim mRNA-Spleißing einnimmt. Ob auch TbPar42-FHA oder das vollständige Protein eine Funktion bei der mRNA-Prozessierung hat, muss in weiteren Studien überprüft werden.Parvulins belong to the group of peptidyl prolyl cis/trans isomerases (PPIase) and catalyze the isomerization of peptidyl prolyl bonds. They play an important role both in protein folding and in functional regulation of other proteins. In 2010, the 42 kDa Parvulin from the human pathogen T. brucei has been identified as a new member of this protein family. In addition to the conserved C-terminal PPIase domain the multi-domain protein posesses an N-terminal FHA domain.
In this work TbPar42 has been structurally and functionally characterized by NMR spectroscopy. Because of the high molecular weight of the full length protein, single domain constructs of TbPar42, including the intermediate linker, were expressed and their 3D structures were determined in solution. HSQC and TROSY experiments showed that the structured domains of the full length protein are connected via a largely unstructured linker and that the domains do not interact with each other.
Although the TbPar42 PPIase domain exhibits a parvulin topology and a high structural similarity to the human phosphospecific parvulin representative Pin1, no isomerase activity for potential phosphorylated substrates was found. Since the PPIase domain didn’t show isomerase activity for unphosphorylated motives in protease coupled isomerase assays either, we conclude that the PPIase domain of TbPar42 is likely catalytically inactive. Furthermore unlike some prokaryotic parvulins, no chaperone activity could be observed in a refolding assay.
The FHA domain of TbPar42 was expressed and structurally analyzed together with the 30 amino acids long N-terminus. While the N-terminus is flexible and unstructured, the FHA domain is folded into an 11-stranded β-sandwich, with additional helical elements flanking the 5-stranded β-sheet.
TbPar42-FHA is capable of binding phosphothreonine peptides. In the TbPar42 FHA domain mainly loop regions of the protein are involved in peptide recognition, which has been observed for other FHA domains as well. Typical FHA domains favor the binding of peptides with a specific amino acid at the third position after the phosphothreonine (pTXXD- or pTXXI/V/L motives). In NMR titration studies with heptapetides no such preference was observed for the TbPar42 FHA domain.
The TbPar42 FHA domain has a high structural similarity to the FHA domain of the NIPP1 protein, which has a function in mRNA splicing. Whether the FHA domain of TbPar42 or the complete protein has a role in mRNA processing as well must be examined in further studies
Oberflächenchemische und tribochemische Untersuchungen an neuartigen Umformhilfsmitteln für feuerverzinkte Stahloberflächen
No full textIn dieser Ausarbeitung werden die oberflächenchemischen und tribochemischen Eigenschaften neuartiger Umforhilfsmittel für dressierte feuerverzinkte Stahloberflächen untersucht. Umformhilfsmittel stellen eine tribologische Beschichtung dar, die auf das verzinkte Feinblech aufgebracht wird, um Reibung und Verschleiß während einer Umformung zu vermindern.
Im ersten Teil der Arbeit wird eine Beschichtung auf Basis von Ammoniumsulfat betrachtet. Diese wird über eine wässrige Lösung auf das verzinkte Feinblech aufgebracht, wobei eine grenzflächennahe Reaktion der Lösung mit der Substratoberfläche zu Ammoniumzinksulfat zu beobachten ist. Mithilfe Raman-spektroskopischer Flächenscans kann gezeigt werden, dass die Dressierstruktur die Verteilung der Beschichtung auf der Oberfläche maßgeblich beeinflusst und das Ammoniumzinksulfat hauptsächlich in den dressierten Bereichen der Oberfläche wiederzufinden ist. Pin-on-Disk Untersuchungen zeigen, dass die Sulfat-Beschichtung eine Reibungs- und Verschleißminderung bewirkt. Neben der Sulfat-Beschichtung wurde ebenfalls ein Umformhilfsmittel auf Basis von
nanoskaligem Zinkoxid (Nano-ZnO) für Zn-Al und Zn-Al-Mg überzogenes Feinblech untersucht. Aufgebracht wurde die Beschichtung mithilfe eines Tauchverfahrens in
einer Lösung aus Zinknitrat und Hexamethylentetramin. Zn-Al Substrate, die mit Nano-ZnO beschichtet sind, weisen dabei eine höhere Reibung und Verschleiß als unbeschichtete Substrate auf. Auf Zn-Al-Mg Substraten dagegen wurde die Reibung und der Verschleiß durch die Beschichtung vermindert
Die Rolle von strahleninduzierten Immunveränderungen für die Normalgewebstoxizität mit einem Fokus auf dem CD73/Adenosin Signalweg und Makrophagen
No full textRadiotherapy (RT) is besides surgery and chemotherapy one standard treatment option for patients suffering from neoplasms in the thoracic room, e.g. lung cancer, breast cancer or head and neck cancer. Due to high normal tissue toxicity of the lung pneumonitis and lung fibrosis are dose-limiting side effects of any RT within the thoracic room, thereby increasing the risk of local relapses and loss of tumor control. Up to now no curative therapies are available to prevent or treat those life-threatening diseases, thus there is a high need to investigate mechanisms that reduce normal tissue toxicity after irradiation. It has been reported that the infiltration of various immune cells is a common feature of radiation-induced pneumonitis and fibrosis. For other fibrotic diseases of the lung e.g. idiopathic pulmonary fibrosis a contribution of CD73 and adenosine on disease progression was reported. Therefore, the present project aimed to give new insights into the contribution of different immune cells to radiation-induced pneumopathy and a potential impact of CD73 and adenosine on disease progression.
To study radiation-induced pneumopathy a murine model was used. C57BL/6 wildtype and CD73 knockout (CD73-/-) mice were irradiated with a single high dose of 15 Gy over their whole thorax to study radiation-induced pneumonitis and fibrosis. Thorax irradiation of C57BL/6 mice altered the composition of T cell populations locally and systemically (cervical lymph nodes and spleen). In the lung irradiation led at 3 weeks to increased levels of regulatory T cells (Treg). At six and twelve weeks upon irradiation (pneumonitic phase) an influx of CD3+ T cells was observed. In addition to an increased CD73 expression on T cells, CD73 expression and activity was also upregulated on other immune cells and non-leukocytes in the irradiated lung. Moreover, elevated levels of Treg were found during the fibrotic phase. The upregulation of CD73 was paralleled by progressively accumulating levels of extracellular adenosine. CD73 deficient mice failed to accumulate adenosine in the bronchoalveolar lavage fluid and exhibited significantly less radiation-induced lung fibrosis. Furthermore, treatment of wild-type mice with pegylated adenosine deaminase (PEG-ADA) or CD73 antibodies also significantly reduced radiation-induced lung fibrosis. The development of radiation-induced pulmonary fibrosis in WT mice was accompanied by the accumulation of macrophages within organized clusters expressing pro-fibrotic marker proteins. Interestingly, in CD73-/- mice no organized macrophage clusters and no upregulation of anti-inflammatory markers on macrophages was observed during the fibrotic phase. Furthermore, CD73-/- mice showed a differential expression of members of the hyaluronic system.
Taken together the data reveal important roles in disease development for Treg during the early and late phases upon RT as well as for macrophages that accumulate in organized clusters and express anti-inflammatory markers during the fibrotic phase. Importantly the loss of CD73 was associated with reduced levels of adenosine, reduced fibrosis development and accumulation of anti-inflammatory macrophages in organized clusters. While targeting CD73/adenosine provides new treatment possibilities to reduce radiation-induced lung toxicity, the extent of macrophage impact still needs further investigations.Strahlentherapie ist neben chirurgischen Eingriffen und Chemotherapie eine der Standardbehandlungsmethoden für Patienten, die an Krebserkrankungen im Brustbereich leiden. Dazu gehören beispielsweise Lungen-, Brust- und Kopf-Hals-Krebs. Aufgrund hoher Normalgewebstoxizität der Lungen stellen sich Pneumonitis und Lungenfibrose als dosislimitierende Nebenwirkungen der Strahlentherapie im Brustbereich dar. Dadurch erhöht sich das Risiko von lokalen Rezidiven und dem Verlust der Tumorkontrolle. Da es bisher keine kurativen Therapien zur Vorbeugung oder Behandlung dieser lebensbedrohlichen Folgeerkrankungen gibt, besteht ein großes Interesse an der Erforschung von Mechanismen, die die Normalgewebstoxizität durch Bestrahlung reduzieren können. Es ist bekannt, dass strahleninduzierte Pneumonitis und Fibrose mit der Einwanderung von verschiedenen Immunzellen einhergehen. In anderen fibrotischen Erkrankungen der Lunge wie z.B. der idiopatischen Lungenfibrose wurde eine Beteiligung von CD73 und Adenosin in der Krankheitsentwicklung nachgewiesen. Deshalb setzte sich das vorliegende Projekt zum Ziel neue Einblicke in die Beteiligung verschiedener Immunzellen zur Entstehung strahleninduzierter Lungenerkrankungen zu liefern, sowie den möglichen Einfluss von CD73 und Adenosin auf den Krankheitsverlauf zu untersuchen.
Zur Untersuchung strahleninduzierter Lungenerkrankungen wurde ein murines Model verwendet. C57BL/6 Wildtyp und CD73 Knockout (CD73-/-) Mäuse wurden dazu mit einer einmaligen hohen Bestrahlungsdosis von 15 Gy über ihrem gesamten Thorax bestrahlt, um anschließend strahleninduzierte Pneumonitis und Fibrose untersuchen zu können. Die Thoraxbestrahlung von C57BL/6 Mäusen veränderte die Zusammensetzung der T-Zellpopulationen sowohl lokal als auch systemisch (zervikale Lymphknoten und Milz). In der Lunge führte die Bestrahlung zu einer Erhöhung der Anteile an regulatorischen T-Zellen (Treg) 3 Wochen nach Bestrahlung. Ein Einstrom von CD3+ T-Zellen wurde sechs und zwölf Wochen nach der Strahlenbehandlung (pneumonitische Phase) beobachtet. Die Expression und Aktivität von CD73 in bestrahlten Lungen, war nicht nur auf T-Zellen zu beobachten, sondern auch auf weiteren Immunzellen und Zellen, die nicht zu den Leukozyten gehören, erhöht. Darüber hinaus wurden erhöhte Anteile von Treg auch in der fibrotischen Phase nachgewiesen. Die Hochregulierung von CD73 ging einher mit einer zunehmenden Akkumulation von extrazellulärem Adenosin. In bestrahlten CD73-/- Mäusen hingegen war kein erhöhtes Adenosin sichtbar, welches anhand einer Lungenwaschung (BALF) gemessen wurde.Zudem entwickelten die Tiere eine signifikant verminderte strahleninduzierte Fibrose. Darüber hinaus konnte die Behandlung von Wildtyp Mäusen mit pegylierter Adenosindeaminase (PEG-ADA) oder einem CD73 Antikörper ebenso zu einer signifikant verminderten Lungenfibrose führen. Die Entwicklung einer strahleninduzierten Lungenfibrose ging einher mit der Akkumulation von Makrophagen in organisierten Verbänden, sowie der Expression von pro-fibrotischen Markerproteinen. Interessanterweise wurden in CD73-/- Mäusen keine organisierten Verbände von Makrophagen gefunden. Ferner wurde keine Hochregulierung von anti-inflammatorischen Markerproteinen beobachtet. Darüber hinaus zeigten CD73-/- Mäuse eine veränderte Expression von Proteinen des Hyaluronsäure-System.
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse auf entscheidende Beiträge zur Krankheitsentstehung von Treg, während der frühen und späten Phase nach Strahlentherapie, und für Makrophagen, die sich in in der fibrotischen Phase in organisierten Verbänden akkumulieren und anti-inflammatorische Marker exprimieren, hin. Der Verlust von CD73 führte zu verminderten Adenosin Leveln, verminderter Fibroseentwicklung und Akkumulation von anti-inflammatorischen Makrophagen in organisierten Verbänden. Durch gezieltes Behandeln von CD73/Adenosin ergeben sich neue Behandlungsmöglichkeiten zur Reduzierung strahleninduzierter Normalgewebstoxizität. Das Ausmaß des Beitrags von Makrophagen zur strahleninduzierten Lungenfibrose bedarf allerdings weiterer Untersuchungen
Investigation of innovative silicon/carbon composite anodes for lithium-ion batteries
No full textLithium-Ionen-Batterien stellen im Hinblick auf eine der Herausforderungen des
21. Jahrhunderts, nämlich die Speicherung und Bereitstellung von Energie auf effiziente,
kostengünstige und umweltschonende Art und Weise, eine wichtige Komponente dar.
Um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu erhöhen, kann insbesondere
konventioneller Graphit durch Lithium-Metall-Legierungen anodenseitig substituiert
werden, wodurch die spezifische Kapazität der Anode gesteigert wird. Ein aussichtsreicher
Kandidat dafür ist das Element Silicium.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Siliciumelektroden für
Lithium-Ionen-Batterien und der Untersuchung des Einflusses der Elektrodenstruktur auf
das elektrochemische Verhalten dieser Elektroden. Mit Hilfe verschiedener analytischer
Messmethoden werden Einflussfaktoren, wie die Elektrodenzusammensetzung, die Art des
Binderpolymers, die Modifikation der SEI (Solid Electrolyte Interphase), die elektrochemischen
Rahmenbedingungen sowie die Modifikation des Aktivmaterials auf die
Elektrodenstruktur untersucht und diskutiert. Dazu werden verschiedene Silicium-basierte
Aktivmaterialien vorgestellt und eingesetzt. Der Fokus liegt hierbei vornehmlich auf der
ionischen und elektrischen Anbindung des Aktivmaterials innerhalb der Elektrodenstruktur
sowie der mechanischen Stabilität und dem Degradationsverhalten der gesamten
Elektrodenstruktur.
Die Erkenntnisse dienen dazu eine Siliciumelektrode zu entwickeln, die eine hohe
spezifische Kapazität und hohe Zyklenbeständigkeit aufweist. Diese Siliciumanode bildet
in Kombination mit einer Lithiumeisenphosphat-Kathode sodann eine Grundlage zur
Untersuchung verschiedener Betriebsweisen von Silicium-Kohlenstoff-Komposit-Lithiumeisenphosphat-
Vollzellen. Es wird unter identischen Versuchsbedingungen demonstriert,
inwieweit die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie durch Substitution von
konventionellem Graphit durch Silicium gesteigert werden kann.With respect to one important challenge of the 21st century, in particular, storage and
supply of energy in an economic, efficient and environmentally friendly manner, lithiumion
batteries represent one of the most promising candidates.
In order to achieve a further increase in the energy density of lithium-ion batteries,
conventional graphite can be replaced by lithium-metal alloys on the anode side due to
increase the specific capacity of the anode. For this, the element silicon is a promising
candidate.
The present work deals with the development of silicon-based electrodes for lithium-ion
batteries and the investigation of the influence of the electrode structure on the
electrochemical behavior of these electrodes. Influencing factors such as electrode
composition, type of the binder polymer, modification of the solid electrolyte interphase,
electrochemical operating parameters as well as the modification of the active material are
investigated and discussed using different analytical methods. For this purpose, various
types of silicon-based active materials are introduced. The main focus is concerned with
the ionic and electrical connection of the active material within the electrode structure as
well as the mechanical stability and the degradation behavior of the entire electrode
structure.
The gained knowledge is used to develop a silicon anode, that exhibit a high specific
capacity and a high cycling capability. This silicon anode is combined with a lithium iron
phosphate-based cathode in full cells, which are served to investigate reliable operating
modes. It is demonstrated under identical experimental conditions, that the energy density
of lithium-ion batteries can be increased through the substitution of conventional graphite
by silicon
Gesunde Kinder in Gesunden Kommunen - Lokale Vernetzung für gesundheitsbezogene körperliche Aktivitäten von Kindern in China und Deutschland
No full text‚Gesunde Kinder in Gesunden Kommunen’(GKGK) ist ein europäisches HEPA-Interventionsprojekt. Die Aufgaben und Ziele dieses Projektes stimmen im hohen Maße mit den Empfehlungen der WHO Europe der letzten Jahre überein (cf. BHO, 2006, 2008). Das gilt sowohl für einige EU-Kommissionen und Komitees, wie zum Beispiel der EU Plattform on Diet, Physical Activity and Health 2005, den EU-Physical Activity Guidelines 2008 und EU EAC 2002, als auch für eine Reihe nationaler und förderaler Ministerien in der Bundesrepublik Deutschland und in der Volksrepublik China. Darüber hinaus können die Aufgaben und Ziele des Projektes ‚Gesunde Kinder in gesunden Kommunen‘ mit den Aufgaben und Zielen der Schulministerien in Nordrhein-.Westfalen und des Sport- und Gesundheitszentrums an der Tongji Universität in China und Ministerien in China und der Jampu-Schulen in der Provinz Shanghai China verglichen werden. Die schulpolitischen Zielsetzungen dieser Organisationen stimmen in hohem Maße darin überein, dass sie Physical Activity und Gesundheit im Rahmen des regulären Sportunterrichts, im Rahmen des Schulsports und anderer extra-curricularer Sportaktivitäten für Kinder und Jugendliche fördern wollen. Für das GKGK-Projekt gibt es vier übereinstimmende zentrale Faktoren, die als gesunde Lebensstilkomponenten im Rahmen des Projektes berücksichtigt werden: Individuelle körperliche und sportliche Aktivitäten, Ernährungsverhalten, bewegungsferne Freizeitaktivitäten, die oft verbunden sind mit einer zu hohen Frequenz an Fernseh- und Computerzeit, sowie die soziale Lage und örtlichen Umgebung, wo Kinder und Jugendliche wohnen und leben.
Um diese vier gesundheitsfördernden Lebensstilkomponenten zu fördern (mehr Bewegung, gesund essen, weniger Medienzeit und bessere Bewegungs- und Spielmöglichkeiten) hat sich das GKGK-Konzept als erstes die Einrichtung eines kommunalen Netzwerkes zur Aufgabe gemacht, um kommunale Stakeholder für die Zusammenarbeit zwischen Familien, Schulen, Sportvereinen und städtischen Kommunalämtern zu fördern. Dafür wurde ein Programm gewählt, das altersadäquate Gesundheitserziehung mit gesundheitsfördernden Maßnahmen durch curriculare, co-curriculare und extra-curriculare Aktivitäten im Kontext ihres Schulbesuchs verbindet. Alle 37 Grundschulen, die in Nordrhein Westfalen bisher das GKGK-Konzept umgesetzt haben, haben dafür drei Stunden regulären Sportunterricht, eine extra Stunde Sachunterricht über Lebensstil- und Ernährungskunde sowie zwei Nachmittagsstunden mit Bewegung, Spiel und Sport umgesetzt. Damit wurden konzeptionell drei Stunden curriculare und zwei Stunden extra-curriculare Sportstunden gewährleistet (tägliche Bewegungszeiten mit 60 bis 90 Minuten). Als weitere co-curriculare und extra-curriculare gesundheitsfördernde Angebote, um diese 60 bis 90 Minuten zu erreichen, kommen sowohl der aktive Schulweg (walking bus), als auch zahlreiche Sportangebote zwischen den Schulstunden und im Rahmen des üblichen Pausensports hinzu. Diese verschiedenen Angebote sollen Einzelmaßnahmen in ihrer Effektivität verbessern und ein gesamtes Kommunalprogramm in der Verbindung zwischen Schule, Sportverein und Kommunalverwaltung sichern für einen gesunden Lebensstil von Kindern und Jugendlichen, um Bewegungsarmut, Übergewicht und Adipositas zu verhindern.
An den empirischen Untersuchungen meiner Studie haben insgesamt 990 Kinder, davon 693 aus Deutschland und 297 aus China teilgenommen. Die deutsche Kohorte umfasst 327 Mädchen und 366 Jungen, insgesamt 25 Schulen aus 12 Kommunen. Die chinesische Kohorte umfasst insgesamt 143 Mädchen und 144 Jungen aus zwei Schulen einer Großstadt (Shanghai). Dass Durchschnittsalter der Deutschen Kinder beträgt 6,57 Jahre (SD = 0,62) und das Durchschnittsalter der chinesischen Kinder beträgt 7,13 Jahre (SD = 0,34). Das war das Durchschnittsalter, als die GKGK-Intervention startete im September 2012 (t1). Die chinesischen Kinder sind also ungefähr 6 Monate älter als die deutschen Kinder. Im November 2013 (t2), fand in Shanghai die zweite Messung statt. Die dritte Messung wurde dort im November 2014 (t3) durchgeführt. Zwischen den Messzeitpunkten gab es also immer circa zwölf-monatige Intervalle, je nach Kommune (DE/CN) und Schule leicht verschieden. Nach der letzten Intervention betrug das Alter der deutschen Kinder 8,54 (SD = 0,62) und das Durchschnittsalter der chinesischen Kinder 9,18 Jahre (SD = 0,42).
Im Rahmen dieser zweijährigen Interventionen hat sich bei allen Kindern in beiden Ländern viel verändert. Alle Kinder haben ihren BMI aufgrund ihres Wachstums erhöht, aber diese Effekte sind im Rahmen ihrer biologischen Entwicklung normal (Chinese girls t1: BMI = 16,58 ± 2.65, t2: BMI = 16,81 ± 3,00, t3: BMI = 17,25 ± 2,79; Chinese boys: t1: BMI = 16,81 ± 2.31, t2: BMI = 17,38 ± 2,74, t3: BMI = 17,89 ± 2,85; German girls: t1: BMI = 16,07 ± 2.02, t2: BMI = 16,54 ± 2,31, t3: BMI = 17,21 ± 2,74; German boys: t1: BMI = 16,53 ± 2,32, t2: BMI = 16,92 ± 2,57, t3: BMI = 17,52 ± 2,89). Aber BMI-Cole in beiden Ländern geb es am Ende der Interventionsmaßnahme reduzieren (Chinese girls t1: BMI-Cole = 3.3, t2: BMI-Cole = 3.1, t3: BMI-Cole = 2.8; Chinese boys t1: BMI-Cole = 3.3, t2: BMI-Cole = 2.9, t3: BMI-Cole = 3.1; German girls t1: BMI-Cole = 3.2, t2: BMI-Cole = 3.1, t3: BMI-Cole = 3.1; Chinese boys t1: BMI-Cole = 3.3, t2: BMI-Cole = 3.2, t3: BMI-Cole = 3.1). Im GKGK-Projekt in Shanghai wurden sechs Items aus dem GKGK Motoriktest zur Überprüfung der motorischen Entwicklung eingesetzt: Koordination (seitwärts Hin- und Her-hüpfen), aerobe Ausdauerkapazität (Sechs-Minuten Lauf), Kraftausdauer (Sit-Ups), Schnellkraft (Standweitsprung), Flexibilität (Sit-and-reach) und Antrittsschnelligkeit (20m-Lauf). Die deutschen Schüler- und Schülerinnen verbesserten fünf motorischen Fähigkeiten im Rahmen ihrer Interventionaußer sit-and-reach. Die ChinesischenSchüler- und Schülerinnen verbesserten fünf motorischen Fähigkeiten im Rahmen ihrer Intervention außer Sechs-Minuten Lauf.
Bei einem Vergleich der BMI Werte zwischen der chinesischen und der deutschen Kohorte zeigt sich, dass die chinesischen Kinder (altersbedingt nicht überraschend) einen höheren BMI-Wert hatten als die deutschen Kinder beiderlei Geschlechts. Unerwartet zeigte sich, dass es mehr übergewichtige und adipöse chinesische Kinder gab als deutsche Kinder (overweight and obese rate China vs. Germany t1: 51.39% vs. 42.14%, t2: 56.03% vs. 45.08%, t3: 55.76% vs. 53.09%). Bei den motorischen Fähigkeiten zeigten chinesische Kinder bessere Ergebnisse in der Koordination (China vs. Germany in girls t1: 30.54 5.97 vs. 22.87 6.34, t2: 37.70 6.98 vs. 28.46 6.02, t3: 41.06 7.46 vs. 33.05 6.04; China vs. Germany in boys t1: 31.17 6.55 vs. 22.02 6.56, t2: 39.27 7.61 vs. 27.84 6.63, t3: 41.76 8.51 vs. 32.29 6.19), in der Kraftausdauer (China vs. Germany in girls t1: 19.65 4.87 vs. 13.63 5.26, t2: 25.56 6.37 vs. 17.63 4.92, t3: 26.54 6.07 vs. 19.29 4.85; China vs. Germany in boys t1: 21.07 5.60 vs. 13.53 5.76, t2: 24.73 6.98 vs. 17.99 5.79, t3: 26.49 7.38 vs. 19.67 5.34) und in der Schnellkraft (China vs. Germany in girls t1: 124.49 16.45 vs. 98.51 18.31, t2: 133.68 14.50 vs. 109.81 16.19, t3: 141.39 15.20 vs. 117.44 16.59; China vs. Germany in boys t1: 135.05 16.53 vs. 103.78 19.08, t2: 141.96 18.00 vs. 115.52 18.05, t3: 148.06 17.32 vs. 123.12 18.39) im Vergleich zu ihren deutschen Mitschülern, die wiederum bessere Ergebnisse im Sechs-Minuten Lauf (China vs. Germany in girls t1: 815.79 127.34 vs. 836.17 103.15, t2: 874.85 153.28 vs. 880.49 108.42, t3: 821.09 162.31 vs. 919.99 119.38; China vs. Germany in boys t1: 878.53 161.36 vs. 886.29 109.66, t2: 922.51 179.95 vs. 951.58 114.96, t3: 866.12 180.87 vs. 993.78 128.36), also der aeroben Ausdauer zeigten, als ihre chinesischen Altersgenossen.
Vergleicht man die BMI-Werte vor und nach der Intervention bei der chinesischen Kohorte, so zeigt sich für beide Geschlechter eine signifikante Steigerung im BMI. Übergewichtige und adipöse chinesische Kinder konnten ihren BMI Wert zwischen der ersten (t1) und dritten (t3) Messung nicht signifikant verändern. Gleichwohl gibt es aber weniger übergewichtige und adipöse chinesische Kinder nach der Interventionsmaßnahme GKGK. Zwischen der ersten (t1) und dritten (t3) Messung,fünf von zwölf Mädchen mit adipöse fiel aus der Gruppe, zwei der dreizehn Jungen mit übergewicht fiel aus der Gruppe. Die BMI-Cole der chinesischen Mädchen[t1 = 3.3, t2 = 3.1, t3 = 2.8; F (2,36) = 19.043, p 0.001, η2= 0.514] und chinesischen Jungen[t1 = 3.3, t2 = 2.9, t3 = 3.1; F (2,38) = 5.899, p 0.006, η2= 0.237]signifikantreduzieren. Vergleicht man die motorischen Testwerte vor und nach der Intervention in der chinesischen Kohorte, so konnten die chinesischen Kinder ihre Leistungen in der Koordination (girls t1 = 30.54 5.97, t2 = 37.70 6.98, t3 = 41.06 7.46, boys t1 = 31.17 6.55, t2 = 39.27 7.61, t3 = 41.76 8.51), der Kraftausdauer (girls t1 = 19.65 4.87, t2 = 25.56 6.37, t3 = 26.54 6.07, boys t1 = 21.07 5.60, t2 = 24.73 6.98, t3 = 26.49 7.38), der Schnellkraft (girls t1 = 124.49 16.45, t2 = 133.68 14.50, t3 = 141.39 15.20, boys t1 = 135.05 16.53, t2 =141.96 18.00, t3 = 148.06 17.32) und auch in der Antrittsschnelligkeit (girls t1 = 4.82 0.42, t2 = 4.61 0.39, t3 = 4.44 0.37, boys t1 = 4.61 0.42, t2 = 4.44 0.47, t3 = 4.31 0.39), der Flexibilität der Mädchen (t1 = 14.41 3.87, t2 = 14.44 4.03, t3 = 14.58 9.23), deutlich verbessern, nicht aber in der aeroben Ausdauer (girls t1 = 815.79 127.34, t2 = 874.85 153.28, t3 = 821.09 162.31, boys t1 = 878.53 161.36, t2 = 922.51 179.95, t3 = 866.12 180.87), und der Flexibilität den Jungen (t1 = 10.83 4.01, t2 = 10.18 4.41, t3 = 9.14 5.38). Bis auf die aerobe Ausdauerkapazität konnten alle motorischen Fähigkeiten verbessert werden. Insofern war das GKGK-Interventionsprogramm erfolgreich in beiden Shanghaier Schulen.
Vergleicht man die BMI Werte vor und nach der Intervention bei den deutschen Kindern, so haben auch Jungen und Mädchen aus der deutschen Gruppe ihren BMI signifikant erhöht. Übergewichtige und adipöse deutsche Mädchen konnten ihren BMI-Cole zwischen dem ersten (t1) und dritten (t3) Messzeitraum nicht signifikante reduzieren, aber immer noch verringert (t1 = 3.2, t2 = 3.1, t3 = 3.1; F (2,61) = 2.827, p 0.067, η2= 0.085). Übergewichtige und adipöse deutsche Jungen ihren BMI-Colezwischen dem ersten und dritten Messzeitpunkt reduzieren (t1= 3.3, t2 = 3.2, t3= 3.1; F (2,75) = 4.742, p 0.012, η2= 0.112). Die deutsche Teilpopulation überwichtiger und adipöser Kinder war nach der Intervention in ihrer Anzahl verringert. Im Gegensatz zu der chinesischen Kohorte konnte die deutsche Kohorte ihre Leistungen deutlich steigern, in der Koordination (girls t1 = 22.87 6.34, t2 = 28.46 6.02, t3 = 33.05 6.04, boys t1 = 22.02 6.56, t2 = 27.84 6.63, t3 = 32.29 6.19), der Kraftausdauer (girls t1 = 13.63 5.26, t2 = 17.63 4.92, t3 = 19.29 4.85), der Schnellkraft (girls t1 = 98.51 18.31, t2 = 109.81 16.19, t3 = 117.44 16.59, boys t1 = 103.78 19.08, t2 = 115.52 18.05, t3 = 123.12 18.39), der Antrittsschnelligkeit (girls t1 = 4.80 0.41, t2 =4.54 0.36, t3 = 4.40 0.31, boys t1 = 4.66 0.40, t2 = 4.44 0.36, t3 = 4.31 0.37), und auch der aeroben Ausdauerkapazität(girls t1 = 836.17 103.15, t2 = 880.49 108.42, t3 = 919.99 119.38, boys t1 = 886.29 109.66, t2 = 951.58 114.96, t3 = 993.78 128.36). Aber nicht der Flexibilität (girls t1 = 4.99 4.62, t2 =5.41 5.14, t3 = 4.69 5.71, boys t1 = 4.66 0.40, t2 = 4.44 0.36, t3 = 1.295.81). Wie die chinesischen Kinder, so haben auch die deutschen Jungen und Mädchen vom Interventionsprogramm GKGK an ihren Schulen profitiert.
Meine Dissertation umfasste acht Hypothesen zur BMI Entwicklung und dreizehn Hypothesen zur Entwicklung der motorischen Fähigkeiten in der chinesischen und deutschen Kohorte. Meine Hypothesen zur BMI-Entwicklung musste ich verwerfen. Heute ist das Problem von übergewichtigen und adipösen Jungen und Mädchen im Grundschulalter in China auf einem fast gleich hohen Niveau wie in westlichen Gesellschaften. Meine Resultate zeigten sogar, dass in unserer chinesischen Kohorte mehr übergewichtige und adipöse Kinder mitwirkten als in der deutschen Kohorte, was im Gegensatz zur gängigen und meiner eigenen Literaturanalyse als ein besonders alarmierendes Ergebnis bezeichnet werden muss. Aus Sicht vieler internationaler Wissenschaftler erscheint China immer noch als ein Entwicklungsland und man vermutet, dass der Anteil an übergewichtigen und adipösen Kindern im Durchschnitt geringer ist als in westlichen Gesellschaften. Das trifft aber heute für die meisten Großstädte in China, wie meine Ergebnisse in Shanghai zeigen, nicht mehr zu. Auch Deutschland hat als entwickeltes Land eine hohe Rate an übergewichtigen und adipösen Kindern. Diese Rate, je nach Studie zwischen 15 und 20 Prozent, ist zwar alarmierend, wird aber dennoch nicht als Kulturschock wahrgenommen wie in meinem Heimatland China.
Im Rahmen der motorischen Testverfahren in meiner Dissertation konnten immerhin zehn von 13 Hypothesen verifiziert werden, mit Ausnahmen der Hypothesen No. zehn, elf und zwölf. Im Gegensatz zur Hypothese zehn, zeigten deutsche Kinder eine bessere Entwicklung in ihrer aeroben Ausdauerkapazität als chinesische Kinder. Bei der Hypothese elf war es genau umgekehrt. Die Ergebnisse zeigen, dass chinesische Mädchen eine bessere Schnellkraftentwicklung zeigten gegenüber den deutschen Mädchen. Ebenso musste die Hypothese zwölf verworfen werden, da die Resultate zeigten, dass auch die chinesischen Jungen über eine bessere Schnellkraft verfügten als die deutschen Jungen. Die besseren Schnellkraftleistungen der chinesischen Kinder (Standweitsprung) werden auch in Form der Referenzwerte aus dem ‚Chinese National Physical Fitess Test‘ (NPFT) bestätigt.
Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass die chinesischen Kinder hier (Schnellkraft-Test) bessere motorische Leistungen zeigten, weil der NPFT auch dieses Item umfasst und diese Kinder mit der Testaufgabe besser vertraut waren, als ihre deutschen Mitschüler- und Mitschülerinnen, für die solche Tests noch relativ neu sind. Das könnte umgekehrt auch die Erklärung dafür sein, wieso die chinesische Population in ihrer aeroben Ausdauerfähigkeit schlechter abgeschnitten hat als die deutsche, denn ein solches Test-Item ist im NPFT nicht zu finden. Der leichte Rückschritt in der Ausdauerleistung der chinesischen Kinder kann auch auf einen zweiten Faktor zurückgeführt werden: Aerobe Ausdauer hat im chinesischen Sportunterricht keinen hohen Stellenwert, und die äußeren Umweltverhältnisse in Shanghai, sind so (Umweltbelastung), dass auch Kinder in ihrer Freizeit wenig Aktivitäten zeigen, die eine gute aerobe Ausdauerleistung verlangen. Diese Erklärungen müssen heran gezogen werden, um die besonderen Unterschiede der Ausdauerleistung beider Kohorten erklären zu können. Ebenso muss festgestellt werden, dass bis heute insgesamt die übergewichtigen und adipösen Kinder in China weniger Aufmerksamkeit geschenkt bekommen durch staatliche Gesundheits- und Förderpolitik und die neuen Essgewohnheiten dort mit Fast Food nach westlichen Vorbild auf einem starken Vormarsch sind.
Das deutsche Schul- und Sportsystem für Kinder und Jugendliche fördert mehr die Alltagsbewegung von Kindern und Jugendlichen als in China. Davon profitieren deutsche Kinder und Jugendliche mehr als ihre chinesischen Mitschüler-und Mitschülerinnen. Auch in Deutschland wird der besonderen Problemgruppe von übergewichtigen und adipösen Schulkindern noch nicht die große Aufmerksamkeit gewidmet, um mit gesunder Ernährung und mehr Bewegung die Zahl der übergewichtigen und adipösen Schulkinder nachhaltig zu reduzieren.
Die Ergebnisse meiner Dissertation belegen, dass schulbezogene Interventionsprojekte die anthropometrische Entwicklung positiv beeinflussen kann, der Anteil der Kinder mit einem hohen BMI für Übergewicht und Adipositas in Teilen nach einem Interventionsprogramm reduziert werden kann und die motorische Entwicklung auf breiter Front in beiden Kohorten gefördert werden konnte. Als Schwäche unserer Untersuchung muss allerdings genannt werden, dass wir auf der einen Seite nur Großstadtkinder (Shanghai) in unserer Studie hatten, und weniger Großstadtkinder aus deutschen Kommunen, sodass auch hier ein erhöhter Effekt für chinesische Kinder auf ungleiche Proportionen in der Auswahl der Kohorten zurückgeführt werden könnte. In der Zukunft sind weitere kulturvergleichende Untersuchungen in der gesundheitlichen und motorischen Entwicklung von chinesischen und deutschen Schulkindern erforderlich, auch über einen längeren Zeitraum als zwei Jahre, um nachhaltige Veränderungen insbesondere bei übergewichtigen und adipösen Kindern zu erzielen und noch besser erklären zu können.‘Healthy Children in Sound Communities’ (HCSC) is an EU-based health enhanced physical activity intervention project. The objectives of this project are broadly in line with the numerous European-level recommendations of recent years from WHO Europe (cf. WHO, 2006, 2008), EU commissions and committees (cf. EU-Platform on Diet, Physical Activity, and Health 2005, EU 2008; EU DG EAC, 2012) as well as various federal and state ministries in Germany and China. The project’s objectives also concur with current attempts by the North Rhine-Westphalia Ministries of School (Germany), Sport and Healthy Research Center of Tongji University (China), Ministries of Yangpu Schools (China), effectively to promote physical activity and health in physical education, school sport and extra-curricular sporting activities for children and adolescents. It looks at four key ‘healthy lifestyle components’ of school aged children: individual physical and sport activities/exercises, nutrition habits, sedentary leisure-time frequency spend on modern electronic media, and the social and geographical environment of living.
To implement healthy lifestyle components, HCSC had been carried out in a community based network of stakeholders with local collaborations between family, school, sports club and municipal offices for concerted action to provide children with age-appropriate education for a healthy lifestyle through curricular, cocurricular and extracurricular activities in HCSC schools. All the HCSC schools have three hours per week ordinary physical education, one hour per week general and social studies, two additional afternoon classes of movement, active school route and sports during break times, healthy eating and food preparation. Also, HCSC combine their single efforts and programs for a commonly agreed health-enhanced PE/PA-program for local children to promote and implement more opportunities for an active lifestyle to counteract physical inactivity and overweight or obesity.
Altogether there are 990 children from Germany (N = 693) and China (N = 297) participated. The German cohort includes 327 girls and 366 boys, 25 schools from twelve cities, the Chinese cohort includes 143 girls and 154 boys, two schools from one municipality. The average age of the German children were 6.57 years old (SD = 0.62) and the average age of the Chinese children were 7.13 years old (SD = 0.34) when intervention started in September 2012 (t1). Therefore Chinese children are approximately 6 months older than German children. After intervention, the second measurement took place in November 2013 (t2), and the third measurement took place around November 2014 (t3). Each measurement has twelve months interval (depending on the communities and schools).Therefore when the intervention finished the average age of the German children were8.54 years old (SD = 0.62) and the average age of the Chinese children were 9.18 years old (SD = 0.42).
The two-year intervention had really achieved a lot in both countries. All children had significant increases in BMI which are correspond with normal effects of growth (Chinese girlst1: BMI = 16.58 2.65, t2: BMI = 16.81 3.00, t3: BMI = 17.25 2.79;Chinese boys t1: BMI = 16.81 2.31, t2: BMI = 17.38 2.74, t3: BMI = 17.89 2.85; German girls t1: BMI=16.072.02, t2: BMI=16.54 2.31, t3: BMI=17.212.74; German boys t1: BMI=16.532.32, t2: BMI=16.92 2.57, t3: BMI=17.522.89). But the BMI-Cole in both countries decreased (Chinese girls t1: BMI-Cole = 3.3, t2: BMI-Cole = 3.1, t3: BMI-Cole = 2.8; Chinese boys t1: BMI-Cole = 3.3, t2: BMI-Cole = 2.9, t3: BMI-Cole = 3.1; German girls t1: BMI-Cole = 3.2, t2: BMI-Cole = 3.1, t3: BMI-Cole = 3.1; Chinese boys t1: BMI-Cole = 3.3, t2: BMI-Cole = 3.2, t3: BMI-Cole = 3.1).Also,HCSC project built six motor tests to improve students’ physical abilities: coordination capacity (jump sideways), aerobic endurance capacity (6-minute run), endurance strength capacity (sit-ups), explosive strength capacity (standing broad jump),flexibility capacity (sit & reach) and agility capacity (20 m run). The German students significantly increased five motor skills except sit & reach. The Chinese students significantly increased five motor skills except6-minute run.
Comparing the BMI of the Chinese cohort and the German cohort, the results shows that the Chinese children had a higher mean BMI value than German children in both genders; there are more overweight and obese Chinese children than German children (overweight and obese rate China vs. Germany t1: 51.39% vs. 42.14%, t2: 56.03% vs. 45.08%, t3: 55.76% vs. 53.09%). In motor skills, Chinese children had better results in jump sideways (China vs. Germany in girls t1: 30.54 5.97 vs. 22.87 6.34, t2: 37.70 6.98 vs. 28.46 6.02, t3: 41.06 7.46 vs. 33.05 6.04; China vs. Germany in boys t1: 31.17 6.55 vs. 22.02 6.56, t2: 39.27 7.61 vs. 27.84 6.63, t3: 41.76 8.51 vs. 32.29 6.19), sit-ups (China vs. Germa
Unterstützung des Unternehmenserfolges durch den gemeinsamen Einsatz von BPM und SOA: projektbasierte Einführung zweier Konzepte anhand der Projektmanagementmethode PRINCE2
No full textEin Unternehmen ist kein Mikrokosmos sondern wird durch Schnittstellen zu seiner Umwelt von dieser beeinflusst. Dies wird sichtbar, wenn sich Anforderungen von Kunden und Lieferanten ändern, neue Mittbewerber den Markt erobern oder sich Umweltbedingungen und rechtliche Rahmenbedingungen auf interne Abläufe auswirken. Unternehmens müssen agieren statt reagieren,
d.h. notwendige Änderungen müssen möglichst frühzeitig erkannt und adressiert werden. Eine flexible Geschäftsprozesslandschaft kann hierbei unterstützend wirken.
Der Einsatz der Methoden des Geschäftsprozessmanagements (GPM) bzw. Business Process Managements (BPM) kann unterstützen, die Ablauforganisation eines Unternehmens flexibler zu gestalten. Als weiteres Konzept zur Steigerung der Reaktionsfähigkeit der IT bietet sich die serviceorientierten Architektur (SOA) an. Auf den ersten Blick scheinen die Konzepte GPM bzw. BPM einerseits und SOA andererseits sehr unterschiedlich. Während BPM eher business-getrieben ist und
einem top-down-Ansatz folgt, ist eine SOA eher IT-getrieben und folgt dem bottom-up-Ansatz.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird aufgezeigt, dass eine Kombination beider Konzepte einen Mehrwert für eine Organisation schaffen kann. Für die Einführung von BPM und SOA existieren,
jeweils separat, anerkannte Vorgehensmodelle. Ausgehend von diesen wurde ein Vorgehensmodell erstellt, welches eine gemeinsame Einführung von BPM und SOA unterstützt. Für die Erstellung wurde analysiert, welche Aufgaben der anerkannten Vorgehensmodelle für BPM und SOA in welcher Reihenfolge kombiniert werden können, um den größtmöglichen Mehrwert bei einer gemeinsamen Einführung zu erzielen. Abschließend wurde aufgezeigt, welche flankierenden Maßnahmen von Bedeutung sind, um die Konzepte BPM und SOA gemeinsam erfolgreich einzuführen