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Development of an integrated method-supported process for the design of distribution networks
No full textHeutzutage erstrecken sich Distributionsnetzwerke von den Produzenten über die Zentralläger und Regionalläger bis hin zu allen Endkunden und werden umfassender betrachtet als früher. Durch die Erweiterung der Produktsortimente und die verteilten Standorte der einzelnen Akteure hat der Grad der Vernetzung zwischen den Distributionsnetzwerken zugenommen. Im Distributionsnetzwerk sind viele konfliktäre Kostenverläufe zu beobachten. Eine optimale Distributionsstrategie soll für die Minimierung der Gesamtlogistikkosten im ganzen Distributionsnetzwerk sorgen und die ganzheitliche Erhöhung der logistischen Leistungen im Distributionsnetzwerk ermöglichen.
Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung einer Kooperationsmethodik mithilfe eines Simulationsinstruments zum Interessensausgleich zwischen Bestands- und Transportmanagement im ganzen Distributionsnetzwerk. Diese ganzheitliche Betrachtungsweise wurde bisher nur unter sehr einschränkenden Annahmen in der Literatur diskutiert. Distributionsstrategien bezüglich der Transportbündelung sowie des Residual-Stocks mit Multiprodukt (Multiprodukt: Artikelanzahl ist viel größer als eins) wurden sowohl in der Literatur als auch in der Praxis bislang kaum beachtet.
Aus Sicht einer ganzheitlichen Optimierung der Lager- und Transportprozesse wurden in dieser Dissertation verschiedene Distributionsstrategien intensiv untersucht, monetär verglichen und quantitativ bewertet. Die Kostenvorteile durch Transportbündelung mit Multiprodukt werden mittels eines Fallbeispiels ausführlich untersucht. Das Kostenreduzierungspotenzial durch Residual-Stock mit Multiprodukt wird intensiv erforscht. Schließlich werden die allgemeinen Regeln zur Sortiments- und Mengenentscheidung von Residual-Stock mit Multiprodukt ausgearbeitet.Nowadays, distribution networks extend from producers via central warehouses and regional warehouses to all end customers, and are seen in a more comprehensive way than in the past. As a result of the extension of product ranges and the distributed locations of the various stakeholders, the degree of interconnection between the distribution networks has increased. Many conflicting cost trends can be observed in a distribution network. An optimal distribution strategy should ensure that the overall costs for logistics are minimized across the entire distribution network and should enable a systematic increase in the logistics performance in the distribution network.
The goal of this dissertation is the development of a collaboration methodology with the help of a simulation tool for balancing the interests of warehouse and transport management across the entire distribution network. To date, such an integrated perspective has only been discussed under very restrictive assumptions in the literature. Distribution strategies regarding transport bundling as well as regarding residual stock with multi-products (multi-products: the number of articles is much greater than one.) have received hardly any attention so far, neither in the literature nor in practice.
In this dissertation, various distribution strategies are examined intensively, are compared monetarily, and are assessed quantitatively, all from the viewpoint of integrated optimization of the warehousing and transport processes. The cost benefits gained from multi-product transport bundling are investigated in detail with the help of a case study. Extensive research was performed regarding the cost reduction potential that can be achieved through residual stock with multi-products. Finally, the general rules for decisions about the product ranges and quantities of residual stock with multi-products are elaborated
Establishing a process to expand autologous HPV-specific lymphocytes ex vivo under GMP-conditions
No full textDie erfolgreiche Behandlung von Tumoren ist eine der größten Herausforderungen der modernen Medizin. Die Nebenwirkungen der etablierten Behandlungsmethoden Radio- und Chemotherapie sind für die Patienten häufig eine große Belastung. Bei soliden Tumoren, wie den Kopf-Hals-Tumoren (HNSCC, Head and Neck Squamous Cell Carcinoma), bleibt noch die operative Entfernung, bei der allerdings einzelne Tumorzellen im Körper zurückbleiben können. Hier besteht die dringende Notwendigkeit, zielgerichtete Therapien zu entwickeln, da die HNSCC seit einigen Jahren die sechst häufigste Krebserkrankung darstellen und die Überlebensraten seit 15 Jahren stagnieren. Im Fall der HNSCC bietet sich eine gute Möglichkeit für zielgerichtete Therapien, da ein Teil der HNSCC viral durch humane Papillomaviren (HPV) verursacht wird. Im Zuge der Infektion durch HPV werden die Onkogene E6 und E7 in das humane Genom der Wirtszellen integriert, sodass sich bei Patienten mit HPV-positiven HNSCC ein exklusiv auf den Tumorzellen vorkommender Marker finden lässt. Der vorherrschende HPV Typ in HPV-positiven HNSCC ist der Hochrisiko-Typ 16. Damit ist die Entwicklung einer zellulären Immuntherapie basierend auf HPV 16 E6 und E7-spezifischen
T-Zellen naheliegend. Der kritische Schritt hierfür ist die ex vivo Expansion der Zellen, die bisher noch nicht unter GMP-konformen Bedingungen gelungen ist. Dies zu ändern war das primäre Ziel der vorliegenden Arbeit. Auf Grund von limitiertem Material von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren wurden die Experimente der vorliegenden Arbeit mit mononukleären Zellen aus peripherem Blut gesunder Spender durchgeführt.
Um die Spezifität und Funktionalität der Immunzellen ex vivo und nach Expansion zu vergleichen, wurde zunächst eine Plattform zur Untersuchung HPV 16-spezifischer Reaktionen etabliert. Hierfür habe ich ein ELISpot-Protokoll für die Detektion von IFN-γ, IL-10, Granzym B und Perforin, sowie den Zytotoxizitätstest DELFIA® EuTDA zur Messung T-Zellvermittelter Toxizität optimiert. In den ELISpot-Assays zeigte sich, dass HPV 16-spezifische Reaktionen der Immunzellen gesunder Spender ohne HPV-Impfung sehr schwach waren (Frequenz der normierten medianen Spotzahlen nach Stimulation mit HPV 16 E6, bzw. E7, Frauen und Männer zusammengefasst: IFN-γ - 0,002 %, 0,0 %; IL-10 - 0,2 %, 0,07 %; Granzym B - 0,001 %, 0,004 %; Perforin - 0,001 %, 0,0 %). Wir stellten uns die Frage, ob bei gesunden Personen, die gegen HPV geimpft sind, mehr HPV 16-spezifische Zellen zu finden sind als bei ungeimpften Personen. Im Rahmen der Studie "Immunität gegenüber humanem Papillomavirus (HPV) bei geimpften und ungeimpften Probanden" konnte gezeigt werden, dass die Immunantworten sowohl bei ungeimpften als auch bei geimpften Probandinnen und Probanden sehr individuelle Ergebnisse ergaben. Interessanterweise fiel das Sekretionsprofil der geimpften Probandinnen ebenfalls schwach, wenngleich insgesamt günstiger aus (IFN-γ - 0,002 %, 0,002 %; IL-10 - 0,02 %, 0,004 %; Granzym B - 0,004 %, 0,005 %; Perforin - 0,01 %, 0,009 %). Besonders zeigten sie eine höhere Frequenz von Zellen, die HPV 16-spezifische Granzym B und Perforin sezernierten. Die geringe Frequenz erschwerte die Testung verschiedener Kulturbedingungen und -zusätze zur Entwicklung eines Expansionsprotokolls für HPV 16-spezifische T-Zellen. Ein CMV-spezifisches Protokoll für eine HPV 16-spezifische Expansion zu übernehmen war hierbei nicht einfach möglich, da sich die Reaktionen CMVpp65-spezifischer Zellen in den Funktionstestungen während des Expansionszeitraums deutlich von denen HPV 16 E6 und E7-spezifischer Zellen unterschieden. Somit blieb nur die Möglichkeit, verschiedene Bedingungen direkt mit HPV 16-spezifischen Zellen zu testen.
Publikationen der letzten Jahre weisen darauf hin, dass der Einsatz autologer, aktivierter B-Zellen zur erfolgreichen Expansion HPV 16-spezifischer Zellen beitragen kann. Standardprotokolle zur Aktivierung von B-Zellen sehen die Verwendung entweder von
CD40L-transduzierter Mausfibroblasten oder von EBV (Epstein Barr-Virus)-haltigem Überstand der Zell-Linie B95.8 vor. Für die erfolgreiche Entwicklung eines Therapieansatzes ist es jedoch nötig, aktivierte B-Zellen unter GMP-Bedingungen herzustellen. Dies mag in naher Zukunft unter Einsatz von löslichem, entsprechend GMP-konform produziertem CD40L möglich sein. Die Verwendung EBV-transformierter B-LCL eignete sich in meinen Händen nicht für eine Expansion HPV 16-spezifischer T-Zellen. ELISpot Assays zeigten, dass T-Zellen bereits auf die unbeladenen EBV-transformierten B-LCL reagierten, da die Transformation der B-Zellen durch latente Infektion mit EBV-Proteinen erfolgte.
Die getesteten GMP-konformen Kulturbedingungen umfassten die Expansion von CD3+CD137+ T-Zellen vs. CD8+CD137+ T-Zellen nach Ko-Stimulation mit HPV 16 E6 und E7 Peptidmixen ohne weitere scaffold Reagenzien. Hier erfolgte keine Expansion der T-Zellen über den Expansionszeitraum hinweg. Ein Einsatz von CD3- und CD28-Antikörper beschichteten MACSiBead Particles ("Beads") als artifizielle APC führte zur Bildung großer Zellklone und 10-fachem (CD3+CD137+ T-Zellen), bzw. 38-fachem (CD8+CD137+ T-Zellen) Anstieg der Zellzahlen, jedoch ließ sich keine Spezifität für HPV 16 in den expandierten Zellen nachweisen. Ein Test verschiedener Verhältnisse von "Beads" zu Zellen bei Kulturen von CD8+CD137+ T-Zellen nach Ko-Stimulation mit HPV 16 E6 und E7 Peptidmixen mit und ohne Entfernung der "Beads" für die Funktionstestungen bestätigte die mögliche Expansion der T-Zellen (bis zu 13-fach) ohne Erhalt der Spezifität für HPV 16 E6 und E7. Außerdem wurde die Expansion von CD8+ T-Zellen nach Einzelstimulation mit HPV 16 E6 oder E7 Peptidmixen mit "Beads" vs. CD3- und CD28-gekoppeltem TransAct Reagent in verschiedenen Konzentrationen als scaffold Reagenzien getestet. Der Zusatz an "Beads" führte hierbei erneut zur Bildung großer Zellklone und bis zu 3,5-fachem Anstieg der Zellzahlen. Die gebildeten Zellklone waren bei Zusatz von TransAct Reagent deutlich kleiner und ebenfalls nicht HPV 16-spezifisch. Somit war es mir im Rahmen der begrenzten Projektzeit leider nicht möglich, optimale Bedingungen für ein GMP-konformes Expansionsprotokoll für HPV 16-spezifische T-Zellen mit Hilfe artifizieller APC zu etablieren.One of the major challenges in modern medicine is the successful treatment of tumours. Side effects of radiotherapy and chemotherapy are often stressful for patients. Solid tumours like HNSCC (head and neck squamous cell carcinoma) can also be removed by surgery. However, it is questionable whether some tumour cells remain in the body. Therefore there is still the urgent need to develop therapeutic options that are target-orientated. Due to the fact, that HNSCC became the sixth most common cancer worldwide during the last years while surviving rates did not improve the last 15 years, it is especially important for patients bearing HNSCC to develop new therapy options. In case of HNSCC such an opportunity might be provided as a part of the HNSCC is caused by human Papilloma viruses (HPV). A part of the viral genome - including the oncogenes E6 and E7 - is getting integrated into the human genome of the host cell during infection. Hence, on tumour cells of HPV-positive HNSCC a unique marker can be found. The main HPV type to be found in HPV-positive HNSCC is HPV 16. Thus the development of a cellular immunotherapy based on HPV 16 E6 and E7-specific T cells would be appropriate. The critical step for this therapeutic approach is the ex vivo expansion of the cells, which could not be managed under GMP-conditions yet. To change this situation was the main issue of this doctoral thesis. The experiments of my thesis had to be performed with peripheral blood mononuclear cells from healthy donors due to limited material from patients with HNSCC.
In the first instance it was important to establish a platform to analyse the HPV 16-specific reaction of immune cells in order to compare the specificity and functionality of the cells ex vivo and after expansion. I optimised a protocol for ELISpot assays to detect the secretion of IFN-γ, IL-10, Granzyme B and Perforin after stimulation with HPV 16 E6 and E7 peptide mixes. Furthermore I established and optimised the DELFIA® EuTDA test to measure T cell-mediated toxicity. With the ELISpot assays it turned out that the HPV 16-specific reaction of immune cells from healthy donors without HPV vaccination was very weak (frequencies of standardised median spot values after stimulation with HPV 16 E6 or E7; men and women combined: IFN-γ - 0.002 %, 0.0 %; IL-10 - 0.2 %, 0.07 %; Granzyme B - 0.001 %; 0.004 %; Perforin - 0.001 %, 0.0 %). The question arose if the HPV 16-specific immunity in healthy, HPV vaccinated persons increased as compared to non-vaccinated ones. Within the study "Immunity against human Papilloma virus (HPV) in vaccinated and non-vaccinated probands" it was visible that the immune response greatly varied, both in non-vaccinated and vaccinated volunteers. Nevertheless, the secretion profile of vaccinated volunteers turned out to be similarly low, but overall more favourable (IFN-γ - 0.002 %, 0.002 %; IL-10 - 0.02 %, 0.004 %; Granzym B - 0.004 %, 0.005 %; Perforin - 0.01 %, 0.009 %). This could especially be seen in the secretion of Granzyme B and Perforin. This low frequency of HPV 16-specific cells made testing different culture conditions and scaffold supplements to develop an optimal expansion protocol for HPV 16-specific T cells quite interminable. It was not possible to use a CMV-specific expansion model as the results of functional tests of CMVpp65-specific immune cells during the expansion period largely differed from the results of HPV 16-specific ones. Therefore the only possibility was to analyse different culture conditions with HPV 16-specific immune cells directly.
Publications of the recent years point out that it is possible to expand HPV 16-specific T cells using autologous, activated B cells. To develop a therapeutic approach using such T cells it would be necessary to activate B cells under GMP-conditions, though. Standard protocols to activate B cells use either CD40L-transduced mouse fibroblasts or supernatant from the cell-line B95.8 containing EBV (Epstein Barr-Virus), both being not GMP compliant. Using EBV-transformed B-LCL (B Lymphoblastoid Cell Lines) to expand HPV 16-specific T cells was not suitable in my hands. ELISpot assays showed, that T cells already reacted to unloaded EBV-transformed B-LCL due to the latent infection with EBV proteins during the transformation process. Nonetheless, it might be possible to activate B cells in a GMP compliant manner soon using soluble recombinant CD40L, which had been manufactured appropriately.
The GMP-compliant culture conditions I tested to develop a suitable expansion protocol were the following ones: Expansion of CD3+CD137+ T cells vs. CD8+CD137+ T cells after co-stimulation with HPV 16 E6 and E7 peptide mix without further scaffold reagents. In this case no expansion of T cells was measurable. Using MACSiBead particles labelled with CD3- and CD28-antibodies ("Beads") as artificial APC lead to generation of big cell clones and an increase in cell counts up to 10-fold (CD3+CD137+ T cells) and up to 38-fold (CD8+CD137+
T cells), respectively. Different ratios of "Beads" to cells in cultures of CD8+CD137+ T cells after co-stimulation with HPV 16 E6 and E7 peptide mixes with and without "Bead" removal for functional testing verified the possibility of expanding T cells (up to 13-fold) without preservation of the specificity against HPV 16 E6 and E7. Furthermore I tested the expansion of CD8+ T cells after stimulation with HPV 16 E6 or E7 peptide mix using "Beads" vs. CD3- and CD28-labelled TransAct Reagent in different concentrations as scaffold reagents. Addition of "Beads" again led to generation of big cell clones and up to 3.5-fold increase of cell counts. The generated cell clones after addition of TransAct Reagent were smaller and did also not show any HPV 16-specific reaction. Therefore, it was unfortunately not possible to find optimal conditions to expand HPV 16-specific T cells in a GMP compliant manner within this terminated project
Development of a ballistic transport model for ion-induced kinetic electron emission
No full textDie folgende Arbeit behandelt die Beschusswinkelabhängigkeit der inneren und externen Elektronenemissionsausbeute sowie das allgemeine Transportverhalten von kinetisch induzierten heißen Elektronen im Festkörper.
Zur Untersuchung der Beschusswinkelabhängigkeit wird der von Duvenbeck et al. angenommene, rein diffusive Transport elektronischer Anregung im Festkörper verwendet. In Kombination mit einem thermionischen Richardson-Dushman-Formalismus kann so die externe Elektronenemission in guter Übereinstimmung mit experimentellen Daten bestimmt werden.
Zur Bestimmung der inneren Elektronenemission wird ein Hybrid-Modell entwickelt, welches alle Schichten des Modellkristalls als Quellen heißer Elektronen annimmt. Diese Elektronen werden ballistisch an die Ober- und Unterseite des Kristalls transportiert und tragen dort zur Emission bei. Um nicht nur die Größenordnung der Ausbeute, sondern auch die Beschusswinkelabhängigkeit der inneren Emission reproduzieren zu können, wird berücksichtigt, dass zusätzlich zur Energie auch Impuls an die Elektronen übertragen wird. Unter der Annahme, dass sich alle heißen Elektronen nach der Anregung ballistisch in Richtung des Projektils bewegen, kann eine qualitative Übereinstimmung mit experimentellen Daten erreicht werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wird das ballistische Transportverhalten angeregter Elektronen mit Hilfe der Boltzmann-Transport-Gleichung näher untersucht. Hierzu werden verschiedene Arten der Anregung (thermische, isotrope und an-isotrope Verteilung angeregter Elektronen) initialisiert und die räumliche und zeitliche Entwicklung der damit verbundenen Anregungsenergie im Modellsystem untersucht. Zur Charakterisierung des Transportes der Anregungsenergie wird ein "effektiver" Diffusionskoeffizient eingeführt.
Hierbei zeigt sich für eine thermische Anregung eine Abhängigkeit des effektiven Diffusionskoeffizienten von der Elektronentemperatur (und somit auch der Anregungsenergie), welche ein Sättigungsverhalten erkennen lässt.
Für eine Peak-artige Form der Anregung durch Elektronen mit genau vorgegebener Energie zeigt sich ebenfalls eine Abhängigkeit von der Anregungsenergie.
Es zeigt sich jedoch auch, dass neben dem Energiewert auch die Ursprungsrichtung der angeregten Elektronen einen Einfluss auf den Wert des effektiven Diffusionskoeffizienten hat.The following work discusses the impact angle dependence of both the internal and external electron emission yield as well as the general transport behavior of kinetically induced hot electrons in solids.
The impact angle dependence is investigated by application of a purely diffusive transport model for the electronic excitations in solids, proposed by Duvenbeck et al.. The use of a thermionic Richardson-Dushman model combined with the diffusive transport enables the determination of the external electron emission yield in good agreement with experimental data.
For the prediction of the internal electron emission a Hybrid model is developed, which treats every layer of the model crystal as a source of hot electrons. These electrons are then transported in a ballistic way to the top and bottom side of the crystal where they contribute to the emission yields.
This way the correct order of magnitude for the internal electron emission yield can be predicted. To reproduce the impact angle dependence as well, the transfer of both the energy as well as the momentum is taken into account. Therefore the direction of motion of the excited electrons is assumed to be the same as the impact direction of the projectile. With this assumption the experimental data can reproduced qualitatively.
The second part of this thesis investigates the ballistic transport phenomena of excited electrons by implementation of the Boltzmann transport equation. After initiation of different kinds of excitation (thermal, isotropic and anisotropic distribution of excited electrons) the temporal and spatial development of the initialized excitation energy distribution is investigated and characterized by means of an "effective" diffusion coefficient.
Considering the thermal excitation, the diffusion coefficients show a clear temperature dependence resulting in saturation.
The isotropic and anisotropic excitation profiles show a dependence of the diffusion coefficient from the energy of the excited particles as well.
It becomes apparent that both the excitation energy as well as the direction of propagation of the excited electrons has strong influence on the values of the resulting effective diffusion coefficient
Aspects of Spectral Statistics in the Correlated Wishart Model
No full textWhen multivariate empirical time series are considered to study complex systems the correlation matrix and its eigenvalues play a central role, because they bear rich information about the dynamics of the system. In the majority of the applications of time series analysis, the length of the time series is rather short such that the correlation matrix inherits statistical fluctuations. To quantify the significance of the empirically estimated correlation matrix, it is compared to a null hypothesis. Under the assumption of Gaussian statistics, the null hypothesis turns out to be the correlated Wishart model.
I study aspects of the spectral statistics in the correlated Wishart model, extend and apply the method of supersymmetry to it and develop a new approach to study the statistics of the smallest and the largest eigenvalue. I focus mainly on the extreme eigenvalues, because they carry significant system specific information. In addition I consider the statistics of the eigenvalues in the bulk.
In the first two parts of this thesis I briefly motivate my approach from the physical point of view and summarize the tools and statistical quantities important later. As a first result of this thesis I extend the generalized Hubbard-Stratonovich transformation to include also correlated Wishart ensembles.
In the third part I am concerned with the distribution of the smallest eigenvalue within the real and the real quaternion uncorrelated Wishart model. For the real ensemble with even rectangularity, I derive an exact expression for the distribution as well as its microscopic limit and for the real quaternion model I uncover a Pfaffian structure.
In the fourth part I apply the method of supersymmetry to eigenvalue statistics of the more involved correlated Wishart and Jacobi ensemble. I study the statistics of the extreme eigenvalues in the former and derive for both quantities previously unknown invariant matrix models. I calculate an exact expression and the microscopic limit of the smallest eigenvalue distribution. In the correlated Jacobi model I compute using supersymmetry the level density and obtain for the real ensemble a twofold integral expression and for the complex ensemble a closed-form expression. After this interlude I derive an asymptotic relation between bulk eigenvalue statistics of two real Wishart models with and without a degeneracy in the empirical eigenvalues and show that the local eigenvalue fluctuations are universal.
In the fifth part I develop a new approach to analyze the eigenvalue statistics in the correlated Wishart model by circumventing the Itzykson-Zuber integral. I apply it to the gap probabilities related to the smallest and the largest eigenvalue distribution and derive an exact expression for the cumulative density function of the latter. Finally, I show that in some cases the smallest and the largest eigenvalue are Tracy-Widom distributed
Die Rolle der AAA+ -ATPase p97 in der Regulation der Aktivierung des Zellzykluskontrollpunkt nach DNA Schaden
No full textDer Zellzyklus ist ein streng regulierter Prozess, welcher die exakte Replikation und Segregation des genetisches Materials in zwei Tochterzellen reguliert. Um einen geordneten Verlauf durch den Zellzyklus und damit der Bewahrung der genomischen Integrität zu gewährleisten, enthält der Zellzyklus in Säugetieren sogenannte Kontrollpunkte. Die Aktivierung der Zellzyklus Kontrollpunkte hängt dabei nicht nur von zahlreichen Phosphorylierungsereignissen ab, sondern auch vom koordinierten Abbau der Zellzyklus regulierenden Proteine durch das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS). Ein zentraler Regulator im Ubiquitin-Proteasome-System ist die AAA+-ATPase p97, welche ubiquitinierte Substrate erkennt und sie für den proteasomalen Abbau überführt. Zusammen mit dem Ko-Faktor Ufd1-Npl4, reguliert p97 zahlreiche Ereignisse innerhalb des Zellzyklus und beeinflusst dadurch den Fortschritt des Zellzyklus unter physiologischen Bedingungen als auch in Reaktion auf DNA Schaden. Die Depletierung von p97Ufd1-Npl4 führt zu schwerwiegenden Segregationsdefekten in der Mitose, welche nicht vollständig durch die Funktion von p97 in der Mitose erklärt werden können. Vielmehr kann eine Anzahl dieser Segregationsdefekte aus der Funktion von p97 in verschiedenen Interphase Prozessen resultieren. Daher versuchten wir im Rahmen dieser Arbeit die Relevanz der Interphaseprozesse, welche durch p97 reguliert werden, auf die Ausprägung von Segregationsdefekten in der Mitose zu untersuchen.
Darüber hinaus untersuchten wir den molekularen Mechanismus des p97Ufd1-Npl4 Komplexes, welcher die Aktivität des G2/M Kontrollpunktes nach DNA Schaden in humanen, somatischen Zellen reguliert.
In dieser Arbeit zeigen wir, dass p97 notwendig ist für die vollständige Aktivierung des G2/M Kontrollpunktes nach ionisierender Bestrahlung und den Eintritt in die Mitose in Anwesenheit von DNA Schaden und die daraus resultierende Ausprägung chromosomaler Instabilität verhindert. Die Depletion von p97Ufd1-Npl4 in bestrahlten Zellen führt zu einer Zunahme an Segregationsdefekten, die durch den Transfer von DNA Schäden in die Mitose entstanden sind. Durch die Analyse der Hauptregulatoren der DNA Schadensantwort, konnten wir einen verzögerten Abbau von CDC25A in p97Ufd1-Npl4 depletierten Zellen nachweisen. Darüber hinaus konnten wir mit quantitativen FACS Experimenten zeigen, dass p97Ufd1-Npl4 depletierte Zellen eine verminderte Aktivierung des DNA Schadenkontrollpunktes aufweisen und ein deutlicher Teil der Zellen sich trotz Bestrahlung in Mitose befindet. Ausschlaggebend für den Defekt in der Aktivierung des Kontrollpunktes ist dabei die Stabilisierung von CDC25A, da eine zusätzliche Inhibierung der CDC25 Phosphatasen den Kontrollpunkt vollständig wiederherstellt. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass p97Ufd1-Npl4 mit dem F-box Protein βTrCP der SCFβTrCP E3 Ligase interagiert. Zusammenfassend etablieren unsere Ergebnisse eine neue Funktion des p97Ufd1-Npl4 Komplexes innerhalb der DNA Schadensantwort durch die Interaktion mit der SCFβTrCP E3 Ligase und der Vermittlung des Abbaus von ubiquitinierten CDC25A. Die vorliegende Arbeit belegt dadurch eine weitere wichtige Rolle von p97 in der Erhaltung der genomischen Stabilität und Integrität.The cell cycle is a tightly regulated process that governs faithful replication and segregation of the DNA material into two daughter cells during proliferation. In order to ensure ordered cell cycle progression, and thus maintain genomic integrity, the mammalian cell cycle harbours a number of checkpoints. The activation of cell cycle checkpoints as well as the regulation of the DNA damage response signalling pathway strongly depends not only on multiple phosphorylation events, but also on the timely degradation of cell cycle regulators by the ubiquitin-proteasome system (UPS). A central component of the UPS is the AAA+-type ATPase p97, which recognizes ubiquitylated substrates and targets them for proteasomal degradation. Together with one of its co-factors, Ufd1-Npl4, p97 acts at multiple stages during cell cycle progression, including mitosis and S phase, thus ensuring ordered progression under physiological conditions and, importantly, in response to DNA damage. Depletion of p97Ufd1-Npl4 leads to severe defects in chromosome segregation during mitosis, which might not be fully explained by its mitotic function but may as well be caused by its interphase functions. Therefore, this work aimed at elucidating the relevance of p97Ufd1-Npl4 interphase functions on the manifestation of chromosome segregation defects in mitosis. Furthermore, we investigated the molecular basis of the role of p97Ufd1-Npl4 complex in modulating the G2/M checkpoint after DNA damage induction in human somatic cells.
Here, we show that p97 is required to ensure robust activation of the G2/M checkpoint after ionizing irradiation (IR), protecting cells from entering mitosis despite DNA damage and thus suppressing the manifestation of chromosomal instability. Depletion of p97Ufd1-Npl4 in cells exposed to IR, led to an increase in segregation defects, which are caused by pre-mitotic errors not being repaired before entering mitosis, indicating a defective DNA damage response. Indeed, analysing the key regulators and effectors of the DNA damage response pathway, we found a delayed CDC25A degradation in Ufd1-Npl4 depleted cells. Moreover, using a quantitative FACS approach, we showed that depletion of the p97Ufd1-Npl4 complex led to an impaired G2/M checkpoint after irradiation with a considerable fraction of mitotic cells. Importantly, we showed that p97Ufd1-Npl4 ensures proper degradation of CDC25A and that persistent activity of the stabilized CDC25A causes a negligent G2/M checkpoint activation, as this phenotype was rescued by additional inhibition of CDC25 phosphatases. Moreover, we showed that p97Ufd1-Npl4 physically interacts with the SCF E3 ligase F-box protein βTrCP, confirming the emerging evidence for the connection of p97 to multiple E3 ligase substrates. These results establish a novel function of the p97Ufd1-Npl4 complex in facilitating CDC25A degradation downstream of ubiquitination by βTrCP and highlight a crucial aspect of p97 function for maintaining genome stability and integrity
Optimal control of voltage and reactive power sources in power systems with presence of renewable energy
No full textErneuerbare Energiequellen wie die Sonnen- und Windenergie werden weltweit in großen Stückzahlen an Energieversorgungsnetzen angeschlossen. Als Ergebnis der intermittierenden Natur dieser Quellen - neben dem stetig steigenden Bedarf an Energie – stehen die Stromnetze derzeit vielen Herausforderungen bezüglich Sicherheit und Versorgungszuverlässigkeit gegenüber. Mit modernen Anschlusstechniken können diese neuen Energiequellen als Blindleistungsquellen und somit als wirtschaftlich günstige Mittel für die Regelung des Netzes herangezogen werden. Sie können im Zusammenspiel mit den anderen Blindleistungsquellen bzw. Spannungsregelern, wie z. B. Querdrossel, Stufenschalter, usw., in Maßnahmen eingebunden werden, die mit Hilfe neuer Regler ernsthafte Probleme in Stromnetzen zu vermeiden bezwecken. In diesem Zusammenhang ist das primäre Ziel dieser Arbeit unter Verwendung von mathematischen Fortschritten, den neusten Entwicklungen in Optimierungsalgorithmen sowie statistische Simulation- und Analysemethoden, die Leistung der bestehenden Kontrollansätzen zu bewerten und neue Regelstrukturen zur optimalen Spannungs- und Blindleistungsregelung in Stromnetzen zu entwerfen.
Neben den oben genannten Herausforderungen muss die Netzregelungsaufgabe mit ungenauen Modellen und oft nicht aktualisierte System-Topologie Daten konfrontiert. Ein vor kurzem entwickelter neuer messungsbasierter Ansatz wird von Forschern derzeit zur Überwindung dieses Problems als nützlich angesehen. Dieses Konzept ist in der vorliegenden Arbeit vorgestellt und ist für den Einsatz in eine optimale Spannungs- und Blindleistungsregelung in Energienetzen eingeführt.
Der letzte Schwerpunkt der Arbeit befasst sich mit einem Mechanismus, um einen gegenseitigen Kompromiss zwischen den vielen Akteuren in dezentralen Energiesystemen zu erreichen, damit ein bestimmtes global optimales Ziel (z. B. Spannungsprofil, o.ä.) erreicht werden kann. Hierzu eignen sich die multiagentenbasierten Techniken und werden in dieser Arbeit angewendet. In der Tat erfordert das Spannungsregelungsproblem in Netzen mit mehreren Betreibern eine effektive Koordination zwischen den Kontrollmaßnahmen benachbarter Netzbetreiber. Mangelnde Bereitschaft lokaler Systemdaten zu benachbarten Systembetreibern offen zu legen ist jedoch ein großes Hindernis, das nur durch eine kooperative Zusammenarbeit gelöst werden kann.Renewable energy resources such as solar and wind are being connected to power systems worldwide in large numbers. As a result of the intermittent nature of these sources, in addition to the steadily increasing overall load demand, the electricity systems currently are faced with many challenges in security and operational reliability. With modern advanced grid-integration techniques, these energy resources are enabled to become reactive power sources, which offer themselves as cheap means for control. They are therefore being included with the other reactive power sources such as shunt reactor, tap- changer, etc., as crucial measures in new controllers to avoid serious problems occurring in the power system. Within this context, the primary objective of this thesis is the utilization of mathematical advances, recent developments in optimization algorithms, statistical simulation and analysis methods, to evaluate the performance of existing control approaches as well as to propose new controller schemes for optimal control of voltage and reactive power sources in power system.
Besides the challenges named above, the control task in power systems has to contend with inaccurate model and not up-to-date system topology information. A new measurement based approach recently developed is currently attracting the attention of researchers. This concept is introduced in this thesis and is modified for use in optimal control of voltage and reactive power sources in power system.
The final focus of the thesis is a mechanism to obtain a mutual compromise amongst the many actors in power system to achieve a certain globally optimum goal (e.g., voltage control, etc.). For this purpose a multi-agents based techniques are found to be suitable, and are presented in this thesis. In fact, voltage control problems typically involve different grids and operators to effectively deal with the coordination of the control actions among the neighboring power systems. Operators’ unwillingness to reveal local system data is, however, a big barrier which can only be solved through a harmonious cooperation mechanism amongst themselves
Investigation of conductive layer systems by scanning force microscopy
No full textZerstörungsfreie Untersuchungsmethoden spielen daher heute sowohl in der Forschung als auch in der Industrie eine wichtige Rolle.
Die Wirbelstrommikroskopie gehört zu einer der gut etablierten zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden, die vor allem in der Metallverarbeitenden Industrie ein wichtiger Teil der Qualitätskontrolle ist. Das räumliche Auflösungsvermögen liegt dabei im µm-Bereich.
In der Oberflächenphysik sind jedoch Strukturen im nanoskaligen Bereich von Interesse. Hierbei sind 2-dimensionale leitfähige Strukturen und deren elektronische Eigenschaften von immer größer werdender Bedeutung.
Ein grundlegender Nachteil bei der Untersuchung von kleine Strukturen im Nanometerbereich ist hierbei das zur Erlangung von Kennlinien I(V) elektrischer Kontakt hergestellt werden muss. Dies kann jedoch die elektronischen Eigenschaften durch Fremddotierung durch das Kontaktmaterial erheblich beeinflussen.
Daher wäre es wünschenswert man könnte eine Kontakt-freie Leitfähigkeitsmessung analog zu der Wirbelstromtechnik einsetzen.
In dieser Arbeit wird geklärt, inwieweit dies durch Kombination eines zeitlich veränderlichen externen Magnetfelds und einem Rasterkraftmikroskop möglich ist. Das Rasterkraftmikroskop ermöglicht hierbei die gewünschte Auflösung im Nanometer-Bereich. Gleichzeitig kann durch Betrieb im Ultrahochvakuum (UHV) der Non-Contact-Modus eingesetzt werden und damit der Kontakt potentiell vermieden werden.
Neben der Leitfähigkeit sind auch Dotierungseffekte für 2-dimensionale Kristallen von großer Bedeutung. Diese können durch Adsorbate, mechanische Deformierung oder durch die Wahl des Substrates bestimmt sein.
Eine gut etablierte Methode um Oberflächenpotentiale und bei metallischen Oberflächen auch die Austrittsarbeit zu messen, ist die Kelvin-Probe-Mikroskopie. Diese kann auch Adsorbate oder andere Defekte die nur einige nm Durchmesser haben lokal auflösen, was bei anderen Methoden wie Winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) nicht möglich ist, da das anregende Medium meist einige tausend µm² der Probe gleichzeitig erfasst und entsprechend darüber mittelt.
In dieser Arbeit werden sowohl Kelvin-Probe Messungen an Graphen und Mo2 gezeigt und der Einfluss von Adsorbaten als auch mechanischem Stress untersucht. Weiterhin wird die Wirbelstrommikroskopie mittels Minispule sowohl an konventionellen Metallen wie Gold und Silber als auch an Graphen und leitfähigen Kohlenstofftracks durchgeführt und die Ergebnisse miteinander verglichen.Non-destructive methods are playing a major role in research as well as in the industry. Among the well established methods is the eddy current microscopy which is mainly used in the metal working industry as an important part of the quality control. The spatial resolution of the method used though is in the µm range.
In surface physics areas at the nanoscale range are of outmost interest. Especially 2-dimensional conductive structures and their electronic properties are of growing significance.
A fundamental disadvantage of the conventional investigation of small structures at the nanoscale is that to obtain a characterisitic current-voltage curve I(V) the necessity of electrical contact is given. This contact though can lead to a significant influence on the electronic properties due to doping by the probing material.
So it is desirable to use an non-destructive technique like the eddy current microscopy.
One main focus in this thesis is to investigate the possibility to realize this technique by combining an atomic force microscope (AFM) with an external magnetic field. The AFM makes it possible to achieve the desired nanoscale resolution. At the same time contact between the sample and the probe can be avoided by conducting the experiment in UHV due to the non-contact mode applied.
Besides the conductivity doping effects of 2-dimensional crystals are of outmost importance. The doping effect can be determined by adsorbants, mechanical stress or the choice of the substrates.
A well established method to investigate the surface potentials and the work function of metallic surfaces is the Kelvin probe force microscopy (KPFM).
KPFM makes it possible to resolve adsorbants and other defects with a diameter of only a few nm which is not possible with other methods like angular resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) because the exciting medium there covers an area of several thousand µm² and averages over the area.
In this thesis Kelvin probe measurements on graphene and MoS2 are shown and the influence of adsorbants and mechanical stress is investigated. Furthermore eddy current microscopy measurements in combination with a minicoil are conducted on conventional metals like silver and gold as well as on graphene and carbon tracks and the results are compared to each other
Die Bedeutung der Vitamin D - Vitamin D-Rezeptor-Achse in der Aktivierung der humanen hepatischen Sternzellen
No full textDie Nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD) ist mit ihrer steigenden Inzidenz in Ländern mit westlichem Lebensstil die Hauptursache chronischer Lebererkrankungen und wird in den nächsten Dekaden die Hauptursache für Lebertransplantationen sein. Alle chronisch verlaufenden Lebererkrankungen weisen in ihrem progressiven Verlauf eine Leberfibrose auf. Der bis heute nicht vollständig geklärte Pathomechanismus der Leberfibrose ist dafür verantwortlich, dass uns keine effektive kausale Therapie zur Verfügung steht. Um eine Lebertransplantation als letzte Therapieoption verhindern zu können, ist es daher von immenser Bedeutung, den Pathomechanismus der Leberfibrose aufzuklären, um alternative Behandlungsoptionen entwickeln zu können.
Erste Beobachtungen anderer Untersucher zu einer inversen Korrelation des Vitamins D (VD) bzw. des Vitamin D Rezeptors (VDR) mit dem Schweregrad einer NAFLD wiesen darauf hin, dass eine gestörte VD VDR Achse in die Progression dieser Lebererkrankung involviert sein könnte. Zur Bestätigung wurde in der vorliegenden Arbeit ein NAFLD Patientenkollektiv hinsichtlich der mit dem Krankheitsverlauf einher gehenden fibrotischen Veränderungen, des VD Status’ und der VDR-Expression analysiert. Die in diesem Patientenkollektiv gefundenen reduzierten VD Serumkonzentrationen und Expressionsraten des Gesamtlängen-Proteins VDR bestätigten die Assoziation zwischen VD bzw. VDR Mangel und NAFLD, zeigten aber keine Korrelation mit dem Schweregrad. Des Weiteren zeigte sich in dieser Patientengruppe eine gesteigerte VDR-Degradation. Zur Abklärung der Involvierung von VD und VDR im Krankheitsverlauf wurde in vitro durch die Stimulation primärer humaner Hepatischer Sternzellen (phHSC) mit TGF-β eine Fibrose imitiert. Der VDR Ligand VD2 hatte Ätiologie abhängig eine tendenziell antagonisierende Wirkung auf die Expression profibrotischer Gene in phHSC bei nicht reduzierter VDR-Expression. Die Inhibition der zellulären VDR-Konzentration mittels VDR-siRNA-Transfektion förderte die Expression Fibrose-relevanter Gene unabhängig von VD2. Diese Wirkungen von VD und VDR auf die TGF-β-induzierte Aktivierung der phHSC konnten auf eine zeitlich zwischen VD2 und dem VDR differierende Inhibition des TGF β/ Smad Signalweges zurückgeführt werden. Diese Hemmung wurde unabhängig vom jeweiligen Interaktionspartner erzielt. Die in NAFLD Patienten bei VD Mangel gesteigerte VDR Degradation konnte durch die in vitro nachgewiesene, protektive Wirkung von VD2 auf die VDR-Degradation erklärt
werden. Darüber hinaus wurde gefunden, dass die VDR-Einzelnukleotid-Polymor-phismen G-1520C, BsmI, DdeI und TaqaI sowohl den Progress der Leberfibrose beeinflussen als auch das Ansprechen auf eine VD2-Behandlung prognostizieren.
Somit lässt sich zusammenfassen, dass eine VD Supplementation aufgrund ihrer protektiven Wirkung auf die VDR Degradation und ihrer inhibierenden Wirkung auf die TGF-β-induzierte Fibrose in phHSC eine mögliche neue Therapieoption für die Leberfibrose darstellen könnte, wobei der individuelle VDR-Einzelnukleotid-Polymorphismus beachtet werden sollte.Both non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD), the most common liver disease in countries with a Westernized lifestyle, and all other chronic liver diseases exhibit liver fibrosis in their terminal stages. As the pathomechanism of liver fibrosis to date is only incompletely understood, there is a lack of in effective and potentially causal therapies. In order to avoid liver transplantation as the terminal therapeutic option, it is thus imperative to elucidate the pathomechanism of liver fibrosis so as to be able to develop alternative treatment options.
First observations by other investigators on an inverse correlation between vitamin D (VD) or the vitamin D receptor (VDR), respectively, and the severity of NAFLD indicated a role for a dysfunctional VD-VDR axis in the progression of this liver disease. For verification, a NAFLD patient cohort was analyzed as to the patients’ fibrotic changes, VD status and VDR expression as correlated with disease progression. While the reduced serum levels of VD and the expression rates of full-length VDR confirmed their association with the deficiencies in both VD and VDR and NAFLD, they did not show an inverse correlation with the severity of NAFLD. In addition, this patient group revealed an increased VDR degradation. In order to clarify the involvement of VD and VDR in the progression of disease, primary human hepatic stellate cells (phHSC) were stimulated with by TGF-β in vitro so as to mimick a fibrotic process. In an etiology-dependent manner, the treatment of phHSC with the CDR ligand VD2 (with vs. without TGF-β stimulation) showed a tendency towards reduced expression of profibrotic genes in these cells, but no reduction of VDR expression. The inihibition of the cellular VDR concentration via VDR siRNA transfection supported the expression of genes relevant in fibrosis independently of VD2. Profibrogenic gene expression was induced by TGF-β via the Smad signalling pathway. Interestingly, treatment with VD2 caused a rapid inhibition of the TGF-β/Smad signalling pathway, which occurred independently from the cellular VDR concentration. In contrast, VDR knock-down influenced the TGF-β/Smad signalling pathway after 24 h independent from VD2. These facts suggested an interaction of both VD and VDR. VDR degradation enhanced in NAFLD patients upon VD deficiency could be explained by the protective effect of VD2 on the VDR degradation as was seen in vitro. In addition, it was found that the VDR single nucleotide polymor¬phisms G-1520C, BsmI, DdeI and TaqaI influence the progression of liver fibrosis as well as predict the response to as treatment with VD2.
In conclusion, the protective effect of VD supplementation VDR degradation as well as its inhibitory effect on the TGF-β-induced fibrosis in phHSC may offer novel therapeutic options for treating liver fibrosis. Importantly, the therapeutic effect of VD-supplementation may depend on individual VDR single nucleotide polymorphisms
Does silver induce the viable but nonculturable state?
No full textDiese Arbeit wurde im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts „Nanosilber – Wirkmechanismen und Untersuchungen ihrer möglichen Interaktionen mit Geweben, Zellen und Molekülen. Definition ihres relevanten Unverträglichkeitspotentials“ durchgeführt (www.nanosilver-project.info).
Die antimikrobielle Wirksamkeit von Nanosilber (AgNPs) wurde in der vorliegenden Arbeit einerseits anhand von dispergierten AgNPs und andererseits anhand von AgNP-haltigen Medizinprodukten (Knochenzemente, Knochenimplantate und Kollagenfolien) untersucht.
In den meisten Studien wird die antimikrobielle Wirksamkeit von Silber ausschließlich anhand von planktonischen Bakterien untersucht, ohne die Lebensform des Biofilms zu berücksichtigen. Da Biofilme jedoch für einen Großteil der Infektionen im Menschen verantwortlich sind, ist die Berücksichtigung von Biofilmen bei der Untersuchung der antimikrobiellen Wirksamkeit von Silber besonders wichtig. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit die antimikrobielle Wirksamkeit von AgNPs und Silbernitrat anhand von planktonischen Bakterien und Biofilmen untersucht. AgNPs waren in der Lage das Wachstum der klinisch relevanten Bakterien Pseudomons aeruginosa, Staphylococcus aureus und Staphylococcus epidermidis vollständig zu hemmen. Zudem zeigten AgNPs das Potential, die Biofilmbildung dieser Bakterienstämme zu inhibieren. AgNPs zeigten auch eine inaktivierende Wirkung (Abnahme der Koloniezahlen) auf bereits etablierte Biofilme und planktonische Bakterien in der stationären Wuchsphase. Biofilme waren jedoch deutlich weniger empfindlich gegen AgNPs als planktonische Bakterien. Vergleicht man die Wachstumshemmung, die Hemmung der Biofilmbildung und die Inaktivierung von Biofilmen durch AgNPs mit Silbernitrat (beruhend auf theoretisch berechneter Silberbasis), dann ist die Wirksamkeit von AgNPs deutlich geringer als die von Silbernitrat.
Die Tatsache, dass die Bakterien nach Silber-Exposition nicht mehr kultivierbar waren, muss nicht bedeuten, dass sie abgetötet wurden. Unter für sie ungünstigen Bedingungen können Bakterien in einen nicht kultivierbaren (viable but nonculturable (VBNC)-Zustand) übergehen. In diesem Zustand sind sie unter den Kultivierungsbedingungen, unter denen sie normalerweise wachsen, nicht mehr kultivierbar. Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass sie wieder in den kultivierbaren Zustand zurückkehren, denn diese Bakterien sind nicht tot und weisen einen Erhaltungsstoffwechsel auf. Es gibt bisher keine Studie, in der ein silberinduzierter Übergang in den VBNC-Zustand untersucht wurde. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit kulturelle und kultivierungsunabhängige Methoden eingesetzt, um den physiologischen Zustand von silberexponiertem P. aeruginosa, unter Berücksichtigung des VBNC-Zustandes, zu untersuchen.
Es wurde festgestellt, dass P. aeruginosa in Gegenwart von Silber (AgNPs und Silbernitrat) in einen nicht kultivierbaren Zustand überging, in dem unterschiedliche Vitalitätsparameter, sowohl bei Biofilmen als auch bei planktonischen Bakterien, noch nachweisbar waren. Die silberexponierten Bakterien wiesen das Vorhandensein von DNA (DAPI-Färbung) und ribosomaler RNA (Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung), Erhalt der Membranintegrität (LIVE/DEAD-Färbung und Propidiummonoazid Real Time Quantitative TaqMan PCR (PMA-qPCR)), das Vorhandensein von ATP und eine nicht zerstörte Zellmorphologie (Rasterelektronenmikroskopie) auf. Betrachtet man die Vitalitätsfaktoren einzeln, dann ist keiner von ihnen allein aussagekräftig. Betrachtet man sie jedoch in der Summe, dann ergibt sich klar, dass diese Bakterien nicht abgetötet wurden, sondern sich im VBNC-Zustand befanden.
Es wurde zudem untersucht, ob sich das Proteom von P. aeruginosa im silberinduzierten VBNC-Zustand gegenüber der silberfreien Kontrolle verändert hat. Sowohl bei den planktonischen Bakterien als auch bei den Biofilmen sind deutliche Unterschiede zu erkennen. Die zweidimensionale differentielle Gelelektrophorese (2D-DIGE) wurde in der vorliegenden Arbeit erstmals zur Charakterisierung des Proteoms von VBNC-Bakterien eingesetzt und stellte sich als geeignete Methode heraus, um die Veränderung des Protein-Fingerabdrucks von Bakterien im VBNC-Zustand zu untersuchen. Es wurden sowohl Proteine herauf- als auch herunterreguliert.
Es gibt unterschiedliche Wirkmechanismen von Silber gegenüber Bakterien. Anhand von planktonischen Bakterien und Biofilmen von P. aeruginosa wurde untersucht, ob die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies und die Interaktion mit Thiolgruppen im verwendeten Testsystem eine Rolle spielen. Hierzu wurden Scavenger für reaktive Sauerstoffspezies und SH-Gruppen enthaltene Substanzen zu silberexponierten Zellen gegeben. Die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies wie Hydroxylradikalen und Wasserstoffperoxid scheint lediglich bei der Wirkung von AgNPs eine Rolle zu spielen. Die Interaktion von Silber mit Thiolgruppen (beispielsweise an Proteinen) scheint sowohl im Falle von Silbernitrat als auch im Falle der AgNPs eine wichtige Rolle bei der antibakteriellen Wirkung auf P. aeruginosa zu spielen.
Zusätzlich zu den Versuchen mit AgNP-Dispersionen wurden AgNP-dotierte Medizinprodukte (Knochenzement mit und ohne Gentamicin, Titan und Kollagenfolien) bezüglich ihrer antimikrobiellen Wirksamkeit, der Hemmung der Biofilmbildung und des Einflusses auf die Vitalität von P. aeruginosa, S. aureus und S. epidermidis untersucht. Die in vitro ermittelten Ergebnisse der AgNP-dotierten Medizinprodukte in LB-Medium zeigten bei den drei Bakterienspezies keinen inhibierenden Effekt auf die Biofilmbildung. Zudem wurde kein bedeutender Einfluss auf die Vitalität der Biofilme im Vergleich zu den silberfreien Medizinprodukten festgestellt. In der Fachliteratur gibt es widersprüchliche Ergebnisse zur Wirksamkeit von (nano-)silberhaltigen Medizinprodukten. Dies gilt sowohl für in vitro als auch für in vivo Untersuchungen. Es fehlen, abgesehen von silberhaltigen Wundauflagen, bislang klinische Studien, die die Wirksamkeit von silberhaltigen Medizinprodukten, wie Knochenzementen oder Knochenimplantaten, nachweisen. Es gibt zudem Studien, die zeigen, dass das therapeutische Fenster von Silber sehr schmal ist und unter körperähnlichen Bedingungen weiter geschmälert wird.
Aufgrund des silberinduzierten VBNC-Zustandes und der geringen Effektivität der AgNPs in den Medizinprodukten, sollte der Einsatz von AgNPs in Medizinprodukten kritisch betrachtet werden
Synthesis and reactivity of subvalent zinc compounds
No full textIn der vorliegenden Dissertation konnte gezeigt werden, dass niedervalente Zinkverbindungen zur Durchführung von Redoxreaktionen fähig sind und den Vorteil besitzen, dass die Reaktionen bereits bei sehr milden Bedingungen durchgeführt werden können und die Zn(I)-Verbindungen sehr selektiv gegenüber organischen Gruppen sind. Des Weiteren wurden Syntheserouten für bereits bekannte Verbindungen optimiert bzw. durch neue Synthesewege ersetzt.
Die bereits bekannte Verbindung Dippnacnac2Zn2 konnte nicht über Cp*H-Eliminierung synthetisiert werden, da die Azidität des Liganden DippnacnacH nicht hoch genug war, um den Cp*-Rest zu protonieren. Allerdings konnte dieses Problem durch Salzeliminierung von Cp*K umgangen werden und Dippnacnac2Zn2 wurde mit höheren Ausbeuten dargestellt (Schema 73). Offenkundig ist die Eliminierung von Cp*K energetisch bevorzugt, so dass dieser Reaktionsweg bei der Synthese bislang unbekannter Zn(I)-Verbindungen besonders geeignet erscheint.
Schema 73: Neue Syntheseroute von Dippnacnac2Zn2.
Mittels Cp*H- bzw. Cp*K-Eliminierung konnten die neuen heteroleptischen niedervalenten Zinkverbindungen 8 und 9 synthetisiert werden.
Bei Reaktionen von Decamethyldizinkocen mit sauren Metallhydriden (Cp2ReH, CpCr(CO)3H, CpMo(CO)3H) wurde stets eine Disproportionierung beobachtet, die auf die Bildung eines instabilen Zwischenproduktes hinweist (Schema 74).
Schema 74: Disproportionierungsreaktion von Cp*2Zn2 mit Cp2ReH.
Durch die Reaktion von Decamethyldizinkocen mit etherischer HCl bzw. mit dem dmap-Hydrochlorid wurde möglicherweise Zn2Cl2 bzw. das basenstabilisierte Addukt 10 synthetisiert (Schema 75).
Schema 75: Synthese von 10.
Es wurden verschiedene Analysemethoden angewandt, um 10 eindeutig nachzuweisen, was allerdings nicht gelungen ist. Die Synthese von Zn2Cl2 würde die Chemie der niedervalenten Zinkverbindungen enorm weiter bringen, da dadurch weitere vielversprechende Reaktionsmöglichkeiten zustande kommen könnten.
Cyclovoltametriemessungen von Zn(I)-Verbindungen haben gezeigt, dass Redox-reaktionen mit niedervalenten Zinkverbindungen prinzipiell möglich sind. Daraufhin wurden Reaktionen von Mesnacnac2Zn2 mit unterschiedlichen organischen Molekülen durchgeführt. Bei Reaktionen mit Gruppe-14-Aziden wurden zwei Reaktionsprodukte beobachtet. Mit Me3SiN3 und Me3SnN3 erhielt man unter M-M-Kopplung das bereits bekannte dimere Zinkazid [MesnacnacZn-N3]2 (Schema 76).
Schema 76: Synthese von [MesnacnacZn-N3]2.
Im Gegensatz dazu wurde mit Ph-N3 erstmals der Zink-Hexazenkomplex 12 synthetisiert. Von dieser Verbindung konnten Kristalle erhalten werden, mit denen die Molekülstruktur mittels Röntgenstrukturanalyse bestimmt werden konnte (Abbildung 27).
Abbildung 27: Kristallstruktur von 12.
12 ist der erste strukturell charakterisierte Zink-Hexazenkomplex. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Reaktivität von 12 durchgeführt. 12 reagiert mit AlMe3, ZnMe2 und MeLi unter Freisetzung von MesnacnacZnMe bzw. MesnacnacLi und Bildung der heteroleptischen bzw. heterobimetallischen Hexazenkomplexe. Die Li-Hexazenkomplexe wurden mit Metallchloridkomplexen unter LiCl-Eliminierung zu Metallhexazenkomplexen umgesetzt (Schema 77).
Schema 77: Reaktionsschema der Hexazenkomplexe.
Die Synthese der Lithium-Hexazenkomplexe stellt die Grundlage zur Eingliederung weiterer Metalle und Bildung neuartiger Hexazenkomplexe unter sehr milden Bedingungen dar. Gegebenenfalls können diese Komplexe als Precursoren für Metallnitridsynthese verwendet werden.
Mit elementaren Chalkogenen, wie Selen und Tellur, wurden keine Reaktionen beobachtet. Mit elementarem Schwefel wurde nicht die erwartete Insertionsreaktion in die Zn-Zn-Bindung beobachtet, sondern eine Oxidation des γ-C-Atom durch den Schwefel. Von dieser Verbindung konnten Kristalle erhalten werden, mit denen die Molekülstruktur mittels Röntgenstrukturanalyse bestimmt werden konnte (Abbildung 28).
Abbildung 28: Kristallstruktur von 13.
Durch Reaktionen von Mesnacnac2Zn2 mit Diphenyl-Dichalkogeniden konnten die bislang unbekannten dimeren Zinkchalkogenid [MesnacnacZn-SePh]2 16, [MesnacnacZn-TePh]2 17 und [MesnacnacZn-SPh]2 18 synthetisiert werden (Schema 78).
Schema 78: Reaktionen von Mesnacnac2Zn2 mit Diphenyl-Dichalkogeniden.
Mit diesen Umsetzungen konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit eine bislang völlig unbekannte Reaktivität von Zn(I)-Verbindungen gezeigt werden. Durch Oxidation der Zinkatome und Reduktion der Chalkogenatome konnte 16 synthetisiert und mittels Röntgenstrukturanalyse strukturell charakterisiert werden (Abbildung 29).
Abbildung 29: Kristallstruktur von 16.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Reaktivität von 16 sowie 17 durchgeführt, bei denen 16 und 17 mit H-aciden Substanzen, wie EtOH und H2O, und auch O2 umgesetzt wurden. Diese Reaktionen könnte man auf die Gruppe-14 Elemente aus-weiten und niedervalente Zinkverbindungen mit z.B. Digermanen oder auch Distannanen umsetzen, um die jeweiligen Zinkgermide bzw. Zinkstannide zu erhalten. Möglicherweise könnte man auf diesem Weg neue Precursor für die Nanopartikelsynthese erhalten oder auch neuartige Clusterverbindungen synthetisieren.
Die Umsetzungen mit H-aziden Substanzen H2O/EtOH verläuft unter Abspaltung von PhTe-H bzw. PhSe-H und Bildung von [MesnacnacZn-OH]2 19 und [MesnacnacZn-OEt]2 20. 19 und 20 wurden mittels Röntgenstrukturanalyse strukturell charakterisiert (Abbildung 30).
Abbildung 30: Kristallstrukturen von 19 (links) und 20 (rechts).
Mit elementarem Sauerstoff konnten die metallierten chalkogenigen Säuren [MesnacnacZn-SePh(O)2]2 21 und [MesnacnacZn-TePh(O)2]2 22 synthetisiert und strukturell charakterisiert werden (Abbildung 31).
Abbildung 31: Kristallstrukturen von 21 (rechts) und 22 (links).
Dies ist ein sehr seltenes Beispiel einer metallierten tellurigen Säure, die strukturell charakterisiert werden konnte. Alle Versuche, ausgehend von 21 die freie tellurige Säure darzustellen, scheiterten.
Setzt man 17 mit elementarem Schwefel um, entsteht nicht die erwartete metallierte tellurige Thiosäure, sondern es wird Te2Ph2 abgespalten und man erhält 13 (Schema 79).
Schema 79: Reaktion von 17 mit elementarem Schwefel zu 13.This PhD thesis proved, that subvalent zinc compounds can be used in redox reactions. They have the advantage, that these reactions can already be performed under mild conditions and the Zn(I) compounds have a high selectivity against organic groups. Furthermore, the synthesis of known Zn(I) compounds were optimized.
Dippnacnac2Zn2 could not be synthesized by Cp*H elimination, because the basicity of the DippnacnacH ligand was not high enough to protonate the Cp* group. In contrast the salt elimination of Cp*K gave Dippnacnac2Zn2 in high yields (Scheme 1).
Scheme 1: New synthesis route of Dippnacnac2Zn2.
Moreover, the new heteroleptic Zn(I) compounds 8 and 9 were synthesized by Cp*H respectively Cp*K elimination.
Reactions of decamethyldizincocen with acidic metall hydrids (Cp2ReH, CpCr(CO)3H, CpMo(CO)3H) occurred with disproportionation, which is attributed to the unstable product (Scheme 2).
Scheme 2: Disproportionation reaction of Cp*2Zn2 with Cp2ReH.
The reaction of decamethyldizincocen with etheric HCl as well as with the HCl-dmap adduct yielded Zn2Cl2 or the basestabilized adduct 10 (Scheme 3).
Scheme 3: Synthesis of 10.
Different analytical methods were used to verify the formation of 10, but its formation is still in question.
Cyclovoltametric measurements of Zn(I) compounds demonstrated, that redox reactions with zinc(I) compounds are in principle possible. Therefore, reactions of Mesnacnac2Zn2 with different organic molecules were investigated.
Reactions of 6 with group 14 azides yielded two products. The reaction of 2 eq of the ionic azides Me3MN3 (M = Si, Sn) with Mesnacnac2Zn2 yielded hexamethyldisilane and -distannane Me6M2 as well as the previously reported zinc azido complex [MesnacnacZnN3]2 (Scheme 4).
Scheme 4: Synthesis of [MesnacnacZn-N3]2.
In contrast, reactions with covalent azides, such as Ph-N3 resulted in the formation of the first zinc hexazene complex 12. The solid state structure of 12 was determined by single crystal x-ray diffraction (Figure 1).
Figure 1: Molecule structure of 12.
12 is the first strucurally characterized zinc hexazene complex. In order to investigate the reactivity of 12, the hexazene complex was treated with AlMe3, ZnMe2 and MeLi. These reactions yield MesnacnacZnMe and MesnacnacLi, as well as several hetero bimetallic hexazene complexes. The lithium hexazene complexes react with metalchloride complexes to yield in hexazene complexes (Scheme 5).
Scheme 5: Reaction scheme of the hexazene complexes.
With the synthesis of the lithium hexazene complexes it is possible to insert every metal as metal halogenide and constitute new hexazene complexes to get very nitrogenrich compounds under mild conditions.
With elemental chalkogenes, selenium and tellurium, no reactions were observed at all. With elemental sulfur the expected insertion of sulfur did not proceed, but an oxidation of the backbone carbonatom was observed. The structure of 13 was determined by single crystal x-ray diffraction (Figure 2).
Figure 2: Molecule structure of 13.
The reactions of Mesnacnac2Zn2 with diphenyl dichalkogenides yielded zincchalkogenide dimers [MesnacnacZn-SePh]2 16, [MesnacnacZn-TePh]2 17 and [MesnacnacZn-SPh]2 18 (Scheme 6).
Scheme 6: Reactions of Mesnacnac2Zn2 with Diphenyl-Dichalkogenides.
In the framework of this thesis a completely new reactivity behaviour of zinc(I) compounds could be demonstrated with these reactions. By oxidation of the zinc atoms and reduction of the chalkogenatoms 16 was synthesized and structurally characterized via single crystal x-ray diffraction (Figure 3).
Figure 3: Molecule structure of 16.
16 and 17 were treated with H-acidic substrates, like EtOH and H2O, and elemental oxygen.
The reactions of 16 and 17 with H-acidic substrates occurred with elimination of PhTe-H and PhSe-H, respectively, as shown in the NMR spectroskopy, and subsequent formation of [MesnacnacZn-OH]2 19 and [MesnacnacZn-OEt]2 20, which were structurally characterized via single crystal x-ray diffraction (Figure 4).
Figure 4: Molecule structure of 19 (left) and 20 (right).
With elemental oxygen the metalated chalkogenic acids [MesnacnacZn-SePh(O)2]2 21 und [MesnacnacZn-TePh(O)2]2 22 were synthesized and structurally characterized (Figure 5).
Figure 5: Molecule structure of 21 (right) and 22 (left).
22 represents a rare example of a metalated tellurinic acid (RTe(O)OH), which is structurally characterized. Experiments to get the protonated form of the tellurinic acid failed.
Treating 17 with elemental sulfur did not yield the expected metalated tellurinic thioacid, but complex 13 and Te2Ph2 were separated (Scheme 7).
Scheme 7: Reaction of 17 with elemental sulfur to 13