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Effects of LASP1-Depletion on Cholesterol Homeostasis in an Atherosclerotic Mouse Model
No full textAtherosklerose beschreibt chronisch-inflammatorische Prozesse, die zum fortschreitenden Verschluss des betroffenen Gefäßes führen. Dadurch ausgelöst, entstehen multiple Krankheitsbilder, welche zusammengefasst als kardiovaskuläre Erkrankungen, innerhalb Deutschlands noch immer an der Spitze der Todesursachen stehen (Statista, zuletzt abgerufen 17.06.2024). Für die Atherogenese spielen insbesondere Zellmigration, -proliferation und -invasionsfähigkeit eine entscheidende Rolle. Als Keyplayer sind hier besonders Makrophagen zu nennen. Das LIM- und SH3-Protein 1 (LASP1), das unter anderem in Makrophagen exprimiert wird, ist ein Aktin-bindendes Gerüstprotein, das an der Zelladhäsion, -migration und -proliferation beteiligt ist und folglich die Pathogenese der Atherosklerose beeinflussen kann. Seine Rolle in der Atherogenese blieb bisher jedoch unerforscht. Dieser Frage wurde nachgegangen, indem Lasp1 im atherosklerotischen Ldlr-/--Mausmodell ausschaltet wurde, um Ldlr/Lasp1-/--Doppelknockout Mäuse zu erzeugen. Unter einer fettreichen Diät (HFD) wiesen Ldlr/Lasp1-/--Mäuse im Vergleich zu den Kontrollmäusen zwar niedrigere Serumcholesterolwerte auf, zeigten jedoch unerwartet mehr atherosklerotische Läsionen in der Aorta. Aufgrund dieser konträren Ergebnisse ist davon auszugehen, dass LASP1 die Cholesterolhomöostase durch zwei unabhängige Mechanismen beeinflusst. Diese darzustellen, war Ziel dieser Arbeit:
Einfluss von LASP1 auf die Entwicklung atherosklerotischer Läsionen:
qRT-PCR- und FACS-Analysen ergaben, dass der Verlust von Lasp1 zu einer erhöhten Expression des LDL-Scavenger-Rezeptors Cd36 auf Knochenmarksmakrophagen führt. Dies konnte nach 12-wöchiger HFD in Schnitten der Aortenwurzeln Lasp1-defizienter Tiere ebenfalls in vivo mittels immunhistochemischer Färbung gegen CD36 bestätigt werden. Kongruent dazu zeigten Vorversuche der Arbeitsgruppe eine erhöhte oxLDL Aufnahme und Schaumzellbildung LASP1-defizienter Makrophagen. Die vergrößerten Läsionen der Doppelknockout Maus scheinen so durch eine erhöhte oxLDL Aufnahme zu entstehen, die durch die erhöhte Cd36 Expression vermittelt wird.
Einfluss von LASP1 auf das Serumcholesterollevel:
Als einer der Mediatoren für die veränderten Serumcholesterolgehalt konnte der intestinale Cholesteroltransporter NPC1L1 identifiziert werden. Dieser wandert, vermittelt über den PI3K-AKT-Signalweg, je nach Cholesterol Gehalt der Zelle vom Zytosol an die apikale Membran, um die intestinale Cholesterolabsorption zu katalysieren. Lasp1-defiziente Mäuse zeigten eine verringerte AKT- Phosphorylierung im Duodenum und schieden vermehrt Cholesterol über die Fäzes aus. Auch im humanen zellulären CaCo2 Zellmodell konnte nach LASP1 Knockdown eine geringere AKT-Phosphorylierung und zudem ein geringerer transzellulärer Cholesteroltransport nachgewiesen werden. Somit kann angenommen werden, dass der LASP1 Knockout den Shuttle des NPC1L1 über AKT beeinträchtigt und so zu einer geringeren intestinalen Cholesterolaufnahme führt, was den gesenkten Serumcholesterollevel in Kombination mit der vermehrten Cholesterolausscheidung der Doppelknockout Mäuse erklärt.Atherosclerosis describes chronic inflammatory processes that lead to progressive occlusion of the affected vessel. Triggered by this, multiple clinical pictures develop, which, summarized as cardiovascular diseases, are still at the top of the causes of death in Germany (Statista, last accessed 17.06.2024). For atherogenesis, cell migration, proliferation and invasion capacity in particular play a decisive role. Macrophages especially are key players here. LIM and SH3 protein 1 (LASP1), expressed among others in macrophages, is an actin-binding scaffold protein involved in cell adhesion, migration, and proliferation and consequently may influence the pathogenesis of atherosclerosis. However, its role in atherogenesis has remained unexplored. This question was addressed by knocking out Lasp1 in the atherosclerotic Ldlr-/- mouse model to generate Ldlr/Lasp1-/- double knockout mice. On a high-fat diet (HFD), Ldlr/Lasp1-/- mice had lower serum cholesterol levels compared with control mice but unexpectedly showed more atherosclerotic lesions in the aorta. Based on these contrasting results, LASP1 is thought to influence cholesterol homeostasis through two independent mechanisms. To delineate these was the aim of this work:
Influence of LASP1 on the development of atherosclerotic lesions:
qRT-PCR and FACS analyses revealed, that loss of Lasp1 leads to increased expression of the LDL scavenger receptor Cd36 on bone marrow macrophages. This was also confirmed in vivo by immunohistochemical staining against Cd36 after 12 weeks of HFD in sections of the aortic roots of Lasp1-deficient animals. Congruent with this, preliminary experiments by the study group showed increased oxLDL uptake and foam cell formation of LASP1-deficient macrophages. Thus, the enlarged lesions of the double knockout mouse appear to result from increased oxLDL uptake mediated by increased CD36 expression.
Influence of LASP1 on serum cholesterol levels:
The intestinal cholesterol transporter NPC1L1 was identified as one of the mediators for the altered serum cholesterol levels. This migrates from the cytosol to the apical membrane, mediated by the PI3K-AKT pathway, depending on the cholesterol content of the cell, to catalyze intestinal cholesterol absorption. Lasp1-deficient mice showed decreased Akt phosphorylation in the duodenum and excreted increased cholesterol in the feces. In addition, in the cellular model, human Caco2 cells showed decreased AKT phosphorylation after LASP1 knockdown as well as decreased transcellular cholesterol transport. Thus, it can be hypothesized that LASP1 knockout impairs the shuttling of NPC1L1 via AKT, leading to lower intestinal cholesterol uptake, which explains the lowered serum cholesterol level and increased cholesterol excretion in the double knockout mice
A Strategic Roadmap to Support Communication on and Acceptance of Surrogate Endpoints: The REnal Surrogacy accEpTance in Chronic Kidney Disease (RESET CKD) Collaboration
No full textIntroduction
Developing effective treatments in chronic, progressive diseases like chronic kidney disease (CKD) is challenging because patients may only experience relevant outcomes such as kidney failure after long periods of disease progression. Surrogate endpoints provide a valuable alternative to definitive final patient-relevant outcomes, which may accelerate clinical development processes. However, optimal utilization of surrogate endpoints for reimbursement decisions requires alignment across multiple stakeholders, including health technology assessment (HTA) bodies and reimbursement agencies, who are generally more cautious than regulatory bodies in their acceptance of surrogate endpoint evidence. The aim of this paper is to propose a strategic roadmap to facilitate cross-stakeholder collaboration and support the consideration of surrogate endpoints in regulatory and reimbursement decisions.
Methods
An international group of experts in surrogate endpoints, reimbursement decisions, and kidney disease formed The REnal Surrogacy accEpTance in Chronic Kidney Disease (RESET CKD) Collaboration. This scientific steering committee held several meetings to develop a roadmap of activities with the aim of enabling the appropriate consideration of surrogate endpoints through structured multi-stakeholder engagement involving regulators, clinicians, HTA bodies, payers, industry, and patients.
Results
The strategic roadmap focuses on four areas: identifying the need for evidence; engaging stakeholders; collaborating in regulatory and reimbursement processes; and disseminating evidence. The RESET CKD collaboration is currently implementing the roadmap in the field of CKD through collating relevant evidence for a CKD-relevant surrogate endpoint in a scientific playbook, conducting economic evaluations, developing a position paper, and engaging patient groups.
Conclusions
Disparities between regulatory and reimbursement processes and decisions underscore the need for a structured approach to enhancing transparency, consistency, and timeliness in the use of surrogate endpoint evidence in healthcare decision-making. The roadmap developed through the RESET CKD Collaboration addresses this need and is already demonstrating practical value in its implementation. Although initially focused on CKD, the framework is designed to be transferable to other therapeutic areas. Key challenges remain, including the integration of surrogate endpoints into adaptive pricing models and performance-based agreements
Physical effort and task errors influence the choice for cognitive offloading
No full textMinimizing effort is a principle widely accepted to govern human behavior. We revisited this principle in an extended rotation paradigm. Participants freely chose to solve an object comparison task by either mental or manual rotation of one of two simultaneously presented objects. We manipulated the required force of manual rotation, stimulus complexity, as well as the angular mismatch between both objects, while carefully eliminating confounds of physical effort with time. Our study revealed that both physical and mental effort affect strategy choice. Additionally, strategy choice in a certain trial was influenced by error commissions in the previous trial. These error-induced strategy switches were asymmetric: participants were more inclined to switch following mental than manual rotation errors. Our results suggest that human reactions to error commission when using external tools may differ in a qualitative manner from reactions to error commission during mental endeavors. Theoretical implications are discussed especially in the context of the entanglement of physical effort and time.
Public Significance Statement
Humans possess the ability to solve problems using either mainly mental or physical resources. For example, objects can be rotated in the mind or physically. Here, we show that when comparing the effort associated with both means, they are both considered for decision making. Furthermore, making a mistake seems to evoke different reactions depending on the means with which the error was made. Considering such different costs and benefits is vital for both designing and working in tech-infused environments that support problem solving
Persönliches Wissens- und Informationsmanagement. Eine unterschätzte Kompetenz für (angehende) Musiklehrpersonen?
No full textTo ensure the usability of knowledge and information (K&I) in times of rapid change and K&I accumulation, the management of K&I has been regarded increasingly relevant—also for teachers. Although this presumably also applies to preservice music teachers (PMTs), they have not yet been studied as a group that (needs to) manage their personal K&I. Driven by the goal of improving initial music teacher education (IMTE), this work builds a foundation to investigate PKIM education as one possible pathway to achieve this. Therefore, PKIM is defined by its goals, objects, and activities, supported by examples from the field of IMTE. To investigate possibilities to improve IMTE, it is conceptualised as a system whose function is to enable PMTs to offer good music teaching—represented by the variable “music teaching quality” (MTQ). A combined-offer-usage model of IMTE and music education (ME) in school shows the location of MTQ and music teaching competence (MTC) at the interface between those two systems.
To explore how PKIM education might improve MTQ, hypotheses on necessary dispositions for PMT to teach well are derived from MTC models. Accordingly, changes in IMTE can be considered improvements if they support PMTs’ acquisition of these MTC. An analysis of the relations between PKIM competences and MTCs reveals that PKIM competences function both as meta-competences and as intersecting components of MTCs. The analysed MTC models focus on possession of knowledge as a predictor for MTQ. However, given that music teaching—according to the proposed definitions—can be seen as sharing of information, we also need to focus on possession of information as another important predictor for MTQ. On the whole, the accessibility, quality, quantity, and relevance of K&I that PMT possess is logically connected with their MTQ and might be positively influenced by PKIM education. Further research concerning specific interventions could be based on the proposed concepts and hypotheses.Um die Nutzbarkeit von Wissen und Informationen (K&I) in Zeiten von Beschleunigung und Informationsüberfluss zu gewährleisten, wird K&I-Management zunehmend als relevant angesehen. Dies gilt vermutlich auch für angehende Musiklehrpersonen (PMTs). Diese wurden jedoch bisher noch nicht als Manager von K&I untersucht.
Diese Arbeit schafft eine Grundlage für die Erforschung von Bildung in PKIM als möglichem Weg zur Verbesserung des Musiklehramtsstudiums (IMTE). Dazu wird PKIM anhand seiner Ziele, Objekte und Aktivitäten definiert. Um Möglichkeiten zur Verbesserung der IMTE zu untersuchen, wird IMTE als System beschrieben, mit der Funktion, PMTs zu gutem Unterrichten zu befähigen – dargestellt durch die Variable „Musikunterrichtsqualität“ (MTQ). Ein kombiniertes Angebots-Nutzungs-Modell von IMTE und schulischem Musikunterricht (ME) zeigt die Position von MTQ und Musiklehrkompetenz (MTC) an der Schnittstelle zwischen beiden Systemen.
Um Potenziale von PKIM-Bildung für die MTQ zu untersuchen, werden aus MTC-Modellen Hypothesen über die notwendigen Dispositionen für gutes Musikunterrichten zusammengetragen. Veränderungen in IMTE können entsprechend als Verbesserungen betrachtet werden, wenn sie einen besseren Erwerb dieser MTC durch PMTs ermöglichen. Eine Analyse der Beziehungen zwischen PKIM-Kompetenzen und MTCs zeigt, dass PKIM-Kompetenzen sowohl Metakompetenzen als auch Überschneidungsmenge von MTCs sind. Die analysierten MTC-Modelle konzentrieren sich auf Wissensbesitz als Prädiktor für MTQ. Da Unterrichten aber – gemäß den vorgeschlagenen Definitionen – als Teilen von Informationen betrachtet werden kann, muss der Informationsbesitz als weiterer wichtiger Prädiktor für MTQ beachtet werden. Insgesamt ist die Zugänglichkeit, Qualität, Quantität und Relevanz des K&I von PMTs logisch verknüpft mit MTQ, und könnte durch PKIM-Bildung positiv beeinflusst werden. Weitere Forschungen zu spezifischen Interventionen kann auf den vorgeschlagenen Konzepten und Hypothesen aufbauen
Auffallend verletzt?!
No full textIn der Inklusions- und Sonderpädagogik ist eine zunehmende Thematisierung von Vulnerabilität wahrzunehmen. Die Zusammenführung von Vulnerabilität und Vulneranz einerseits und Verhaltensauffälligkeiten andererseits stellt eine Leerstelle dar, die es für einen umfassenden Diskurs in der Pädagogik zu füllen gilt. Die Beiträge des vorliegenden Bandes bieten interdisziplinäre Zugänge zum skizzierten Themenbereich und richten sich an alle, die in der pädagogischen Arbeit mit Kindern und Jugendlichen mit Verhaltensauffälligkeiten tätig sind.
Der Band gliedert sich in drei Teilbereiche: Vulnerabilität und Vulneranz werden erstens im Kontext biographischer Erfahrungen betrachtet, zweitens einer fundierten theoretischen und disziplinären Betrachtung unterzogen sowie drittens unter Perspektive verschiedener intersektionaler Zugänge diskutiert
Monomere, Dimere und Hybride Liganden für Melatonin-, Östrogen- und GPR50-Rezeptoren als Pharmakologische Werkzeuge und Potenzielle Wirkstoffe gegen Brustkrebs
No full textThe work in this thesis was aimed to target 3 projects in which dimeric, hybrid and monomeric ligands were synthesized to target melatonin, estrogen and GPR50 receptors, respectively. The first project was the attempt of synthesis of melatonin-tamoxifen drug conjugates. Recently, a series of melatonin-tamoxifen hybrid ligands with a linker attached to the amide group of melatonin was reported as pharmacologically promising agents in the prevention and treatment of breast cancer. To examine how other attachment points, such as the ether oxygen in position 5 or substitution at C2 affect the pharmacological actions at both targets, a series of novel melatonin-tamoxifen hybrids shown below has been prepared and pharmacologically evaluated at estrogen receptor alpha and melatonin MT1 and MT2 receptors. Future screening for inhibition of viability and migration of breast cancer cells will show whether the tamoxifen drug conjugates are superior to the parent drugs and combinations thereof in their anticancer actions.
Concerning the second project, melatonin MT1 and MT2 receptors are known to form homomeric and heteromeric dimers with distinct pharmacological properties. Although high-resolution structures of MT1 and MT2 receptors are available, the structures of the corresponding dimeric receptors have not been reported. To facilitate the formation of receptor dimers, and thus possibly enable the experimental determination of their structures, a series of dimeric agomelatines analogs aiming to stabilize dimeric melatonin receptors by simultaneous binding to both protomers have been developed. Future BRET and crystallographic studies on MT1 and MT2 ligand-receptor complexes are in progress.
In context of GPR50 project, although currently, beside the proven inability for melatonin binding and no other ligands have been identified yet, the first potent agonists of the orphan GPR50 receptor have been identified in a functional cAMP assay. Among these analogues, the 5-methoxy-2-methyl indole which displayed a high agonistic activity at GPR50 receptor (EC50 = 0.5 nM). In this regards, various indole analogues derived from/similar to 5- methoxy-2-methylindole were synthesized in order to extend SARs. Future radioligand binding studies will allow determining the binding affinities of the ligands at GPR50 and a potential anti-cancer effect especially in breast cancer.Die Arbeit in dieser Dissertation zielte auf drei Projekte ab, bei denen dimere, hybride und monomere Liganden synthetisiert wurden, um Melatonin-, Östrogen- bzw. GPR50-Rezeptoren zu beeinflussen. Das erste Projekt war der Versuch der Synthese von Melatonin-Tamoxifen-Wirkstoffkonjugaten. Kürzlich wurde über eine Reihe von Melatonin-Tamoxifen-Hybridliganden mit einem an die Amidgruppe von Melatonin gebundenen Linker als pharmakologisch vielversprechende Wirkstoffe für
die Prävention und Behandlung von Brustkrebs berichtet. Um zu untersuchen, wie sich andere Bindungspunkte wie der Ethersauerstoff in Position 5 oder die Substitution an C2 auf die pharmakologischen Wirkungen an beiden Targets auswirken, wurde eine Reihe neuartiger Melatonin-Tamoxifen-Hybride hergestellt und pharmakologisch an Östrogenrezeptor alpha und Melatonin MT1-und MT2-Rezeptoren untersucht. Künftige Untersuchungen zur Hemmung der Lebensfähigkeit und Migration von Brustkrebszellen werden zeigen, ob die Tamoxifen-Wirkstoffkonjugate in ihrer krebshemmenden Wirkung den Ausgangsstoffen und deren Kombinationen überlegen sind.
Was das zweite Projekt anbelangt, so ist bekannt, dass die Melatoninrezeptoren MT1 und MT2 homomere und heteromere Dimere mit unterschiedlichen pharmakologischen Eigenschaften bilden. Obwohl hochauflösende Strukturen von MT1- und MT2-Rezeptoren verfügbar sind, wurden die Strukturen der entsprechenden dimeren Rezeptoren noch nicht veröffentlicht. Um die Bildung von Rezeptordimeren zu erleichtern und damit möglicherweise die experimentelle Bestimmung ihrer Strukturen zu ermöglichen, wurde eine Reihe von dimeren Agomelatin-Analoga entwickelt, die darauf abzielen, dimere Melatoninrezeptoren durch gleichzeitige Bindung an beide Protomere zu stabilisieren. Zukünftige BRET- und kristallographische Studien zu MT1- und MT2-Liganden-Rezeptor-Komplexen sind in Arbeit.
Im Rahmen des GPR50-Projekts wurden die ersten potenten Agonisten des verwaisten GPR50-Rezeptors in einem funktionellen cAMP-Assay identifiziert, obwohl derzeit keine Melatonin-Bindung nachgewiesen werden konnte und noch keine anderen Liganden identifiziert wurden. Zu diesen Analoga gehört das 5-Methoxy-2-Methyl-Indol, das eine hohe agonistische Aktivität am GPR50-Rezeptor (EC50 = 0,5 nM) aufweist. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Indol-Analoga synthetisiert, die von 5-Methoxy-2-Methylindol abgeleitet bzw. diesem ähnlich sind, um die SARs zu erweitern. Künftige Radioliganden-Bindungsstudien werden es ermöglichen, die Bindungsaffinitäten der Liganden am GPR50 und eine mögliche krebshemmende Wirkung insbesondere bei Brustkrebs zu bestimmen
Nerve barrier investigation and skin expression analysis after blockade of netrin-1 receptor UNC5B in a rat model of neuropathic pain
No full textDie vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Netrin-1 und seiner UNC5B-Interaktion auf die Nervenbarrieren und die Haut von Ratten nach traumatischer peripherer Neuropathie, chronic contriction injury (CCI). Nach Nervenverletzung kommt es durch Reduktion der Tight Junction Proteine zur Öffnung der Nervenbarrieren – der Blut-Nerven-Barriere (BNB) und der Myelinbarriere – welche den peripheren Nerven vor externen schädlichen Einflüssen schützen. In der Haut degenerieren intraepidermale Nervenfasern, parallel wird Unc5b vermehrt und Ntn1 vermindert exprimiert. Netrin-1 stabilisiert die peripheren Nervenbarrieren, fördert die Nervenregeneration und wirkt antiinflammatorisch. Hierbei vermittelt es seine Wirkung in Abhängigkeit von der Rezeptorinteraktion mit u.a. UNC5B, DCC und Neogenin. Ziel der Arbeit war es, den Mechanismus der Blockade des Netrinrezeptors UNC5B durch eine lokale Antikörperbehandlung zu untersuchen. Diese Behandlung vermindert die mechanische und thermische Hypersensitivität nach CCI Neuropathie.
UNC5B war in Ranvier-Schnürringen der Schwann-Zellen nachweisbar. Nach CCI war die Myelinbarriere proximal der Nervenschädigung durchlässig für Makromoleküle die paranodale Claudin-19 Expression reduziert. Die tägliche lokale anti-UNC5B-Injektion nach CCI konnte die Öffnung der Myelinbarriere verhindern und die Claudin-19 Expression stabilisieren. Die Permeabilität der BNB blieb jedoch unverändert. Außerdem waren Unc5b, Dcc und Neo1 in der Haut nach CCI erhöht und dies konnte durch die Blockade von UNC5B verhindert werden. Netrin-1 wird in Keratinozyten exprimiert.
Zusammenfassend stellt eine UNC5B-Blockade eine neue Therapiemöglichkeit für akute neuropathische Schmerzen dar, da der Antikörper über die geöffnete BNB an die Nervenschädigung gelangen kann, wo es die Myelinbarriere versiegelt und die Schmerzentstehung verhindert. Der Mechanismus in der Haut sollte weiter untersucht werden, um mögliche neue Biomarker oder Schmerztherapien zu etablieren.The present study investigates the influence of netrin-1 and its UNC5B interaction on the nerve barriers and skin of rats after traumatic peripheral neuropathy, chronic contriction injury (CCI). After nerve injury, the reduction of tight junction proteins leads to the opening of the nerve barriers - the blood-nerve barrier (BNB) and the myelin barrier - which protect the peripheral nerve from external damaging influences. In the skin, intraepidermal nerve fibers degenerate, while Unc5b expression increases and Ntn1 decreases. Netrin-1 stabilizes the peripheral nerve barriers, promotes nerve regeneration and has an anti-inflammatory effect. It mediates its effect depending on the receptor interaction with UNC5B, DCC and neogenin, among others. The aim of the work was to investigate the mechanism of blockade of the netrin receptor UNC5B by local antibody treatment. This treatment reduces mechanical and thermal hypersensitivity after CCI neuropathy.
UNC5B was detectable in nodes of Ranvier of Schwann cells. After CCI, the myelin barrier proximal to the nerve injury was permeable to macromolecules that reduced paranodal claudin-19 expression. Daily local anti-UNC5B injection after CCI was able to prevent the opening of the myelin barrier and stabilize claudin-19 expression. However, the permeability of the BNB remained unchanged. In addition, Unc5b, Dcc and Neo1 were increased in the skin after CCI and this could be prevented by blocking UNC5B. Netrin-1 is expressed in keratinocytes.
In summary, UNC5B blockade represents a new therapeutic option for acute neuropathic pain, as the antibody can reach the nerve damage via the open BNB, where it seals the myelin barrier and prevents the development of pain. The mechanism in the skin should be investigated further in order to establish possible new biomarkers or pain therapies
Synthese und Evaluierung der Bindungsaffinität neuer bitopischer Liganden des µ-Opioidrezeptors (MOR)
No full textOpioid receptors represent one of the most important targets in the treatment of acute and chronic pain. However, activation of this class of receptors leads to serious and sometimes lethal side effects such as respiratory depression. A few hypotheses including low intrinsic G protein efficacy and functional selectivity of some ligands have been proposed and investigated for the development of the side effects. Nonetheless, the molecular basis governing the side effect profile of opioid receptors still remains unclear. This is reflective of the need for new pharmacological tool compounds to study this class of receptors in order to gain valuable insight into their mechanism of action which can assist in the engineering of improved opioids with fewer undesired effects.
In this regard, bitopic ligands of the mu opioid receptor (MOR) which simultaneously bind the orthosteric and allosteric binding sites were designed and synthesised. From previous studies in the working group with muscarinic receptors, bitopic ligands showed interesting properties such as subtype and functional selectivity.The proof of concept developed for muscarinic receptors was thus applied to the MOR in order to obtain valuable information into its mechanism of action and/or biased signalling.
The bitopic ligands were designed based on the positive allosteric modulator (PAM) BMS-986122 as the allosteric block and the agonists PZM21 and TRV130 as orthosteric moieties. In the design of these ligands, suitable linker attachment points on both the allosteric and orthosteric moieties were identified. Subsequently, the synthesis of these compounds was adapted to allow the introduction of the linker prior to attempting the tethering of the allosteric and orthosteric blocks to obtain the bitopic ligands.Opioidrezeptoren stellen eines der wichtigsten Targets bei der Behandlung von akuten und chronischen Schmerzen dar. Die Aktivierung dieser Rezeptorklasse führt jedoch zu schwerwiegenden und manchmal tödlichen Nebenwirkungen wie Atemdepression. Es wurden einige Hypothesen aufgestellt und untersucht, darunter eine geringe intrinsische G-Protein-Wirksamkeit und die funktionelle Selektivität einiger Liganden, die für die Entwicklung der Nebenwirkungen verantwortlich sein könnten. Dennoch ist die molekulare Grundlage, die das Nebenwirkungsprofil von Opioidrezeptoren bestimmt, nach wie vor unklar. Dies spiegelt den Bedarf an neuen pharmakologischen Wirkstoffverbindungen zur Untersuchung dieser Rezeptorklasse wider, um wertvolle Einblicke in ihren Wirkmechanismus zu erhalten, die bei der Entwicklung verbesserter Opioide mit weniger unerwünschten Wirkungen helfen können. In diesem Zusammenhang wurden bitopische Liganden des µ-Opioidrezeptors (MOR) entwickelt und synthetisiert, die gleichzeitig an die orthosterischen und allosterischen Bindungsstellen binden. Aus früheren Studien der Arbeitsgruppe mit Muskarinrezeptoren wiesen bitopische Liganden interessante Eigenschaften wie Subtyp- und Funktionsselektivität auf. Der für Muskarinrezeptoren entwickelte Proof of Concept wurde daher auf den MOR angewendet, um wertvolle Informationen über seinen Wirkmechanismus und/oder seine voreingenommene Signalübertragung zu erhalten. Die bitopischen Liganden wurden auf der Grundlage des positiven allosterischen Modulators (PAM) BMS-986122 als allosterischer Baustein und der Agonisten PZM21 und TRV130 als orthosterische Bausteine entwickelt. Bei der Entwicklung dieser Liganden wurden geeignete Verknüpfungspunkte für die Verknüpfung sowohl an den allosterischen als auch an den orthosterischen Einheiten identifiziert. Anschließend wurde die Synthese dieser Verbindungen angepasst, um die Einführung des Verknüpfers vor dem Versuch der Verknüpfung der allosterischen und orthosterischen Blöcke zu ermöglichen, um die bitopischen Liganden zu erhalten
Predictors of a reduced left ventricular ejection fraction after STEMI – A retrospective cohort study of 1580 patients in the Herzinfarktnetz Mainfranken
No full textDie linksventrikuläre Pumpfunktion nach STEMI stellt nicht nur ein Gütekriterium für die adäquate Akutversorgung der Patienten, sondern auch einen starken Prädiktor für die weitere Prognose der Patienten dar. Unsere Studie hatte zum Ziel, individuelle Patientencharakteristika und spezifische Behandlungskriterien zu identifizieren, die als Prädiktoren für eine eingeschränkte LVEF nach STEMI dienen können.
Wir untersuchten in einer retrospektiven Kohortenstudie 1580 Patienten mit STEMI, welche von 2007 bis 2020 in die FITT-STEMI-Datenbank aufgenommen und im Herzinfarktnetz Mainfranken registriert wurden. Die eingeschlossenen Patienten wurden, basierend auf der echokardiografisch bestimmten LVEF in zwei Gruppen unterteilt: Gruppe I umfasste 1163 Patienten mit einer LVEF ≥50%, Gruppe II 417 Patienten mit einer LVEF <50%. Die routinemäßige Echokardiographie erfolgte 7,3 ± 2,4 Tage nach dem Infarktereignis.
Lokalisation und Schweregradeinteilung des STEMI erfolgten anhand des EKG, der Angiographie, sowie mit TIMI-Klassifikation und TIMI-Durchflussgrad vor und nach PCI. Die Versorgungszeiten wurden den FITT-STEMI-Fragebögen entnommen und mit allen vorher beschriebenen Parametern in eine Excel-Tabelle eingepflegt.
Die statistische Analyse zeigte in den modifizierten Poisson-Regressionsmodellen ein erhöhtes relatives Risiko für eine reduzierte LVEF nach STEMI bei Patienten, die während des stationären Krankenhausaufenthaltes eine renale Dysfunktion aufwiesen. Patienten mit einer LVEF 4 auf als die Patienten, die im Verlauf eine LVEF ≥50% zeigten (12,9% vs. 31,9%, p<0,001). Erwähnenswert ist schließlich, dass bei Patienten der Gruppe I signifikant häufiger der RIVA das Infarktgefäß war als in Gruppe II (65,2% vs. 34,7%, p<0,001).
Ergänzend entwickelten wir ein eigenes Vorhersagemodell, das sich dem TIMI-Risikoscore hinsichtlich Vorhersagbarkeit einer eingeschränkten LV-Funktion und damit erhöhter Mortalität überlegen zeigte. Hier zeigte sich ein Vorteil für unser Modell (Area under The Curve: Modell 1: 0,718 vs. TIMI-Score 0,648 p<0,001).
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Zusammenfassend ist zu konstatieren:
Optimale Versorgungszeiten haben eine günstige Auswirkung auf die linksventrikuläre Funktion nach STEMI im Verlauf. Insbesondere bei Patienten mit Vorderwandinfarkt ist die schnelle Rekanalisation des Infarktgefäßes von entscheidender Bedeutung. Eine schnelle Akutversorgung des STEMI kann durch die optimierten Strukturen eines Herzinfarktnetzwerks erreicht werden.Left ventricular function after STEMI not only serves as a quality criterion for the adequate acute care of patients but also as a strong predictor for the patients' further prognosis. Our study aimed to identify individual patient characteristics and specific treatment factors that can serve as predictors for a reduced LVEF after STEMI. In a retrospective cohort study, we examined 1580 STEMI patients who were included in the FITT-STEMI database and registered in the Herzinfarktnetz Mainfranken between 2007 and 2020. The included patients were divided into two groups based on echocardiographically determined LVEF: Group I included 1163 patients with an LVEF ≥50%, while Group II consisted of 417 patients with an LVEF 4 compared to patients who later showed an LVEF ≥50% (12.9% vs. 31.9%, p<0.001). Notably, in Group I, the LAD was significantly more often the culprit lesion vessel than in Group II (65.2% vs. 34.7%, p<0.001). Additionally, we developed our own prediction model, which outperformed the TIMI risk score in predicting reduced LV function and thus higher mortality (Area under the Curve: Model 1: 0.718 vs. TIMI score: 0.648, p<0.001). In conclusion, optimal care times have a favorable impact on left ventricular function after STEMI in the long term. Rapid and sufficient revascularization is crucial, particularly in patients with anterior wall infarction. A swift acute care for STEMI can be achieved through the optimized structures of a heart attack network
Vorkonditionierte Gradientenverfahren zur Lösung nichtlinearer unterbestimmter Kleinste-Quadrate-Probleme
No full textThis thesis is devoted to the theoretical and numerical investigation of preconditioning methods for gradient schemes for solving underdetermined nonlinear least-squares problems. In particular, problems with zero residual are considered, which are equivalent to the problem of solving underdetermined nonlinear systems of equations. These problems arise in several fields such as nonlinear eigenvalue problems, partial differential equations, and in the context of data fitting. A specific example from the latter class is the supervised training of overparameterised artificial neural networks. In this case, a large number of parameters and a complex problem structure make solving these problems challenging, and the development of efficient methods with guaranteed convergence is of paramount importance.
In this thesis, the relation between solutions of nonlinear least-squares problems and nonlinear systems of equations is explained. Further, a result on the existence of solutions that is based on the existence of a point with sufficiently small value of the residual function and a full rank assumption on the Jacobian of the residual function around this point is presented. This theoretical framework is discussed in the context of quadratic data fitting problems and supervised training problems.
However, in some cases a full rank property is not at hand, and regularisation techniques are required for guaranteeing existence of solutions and convergence of iterative schemes. For this purpose, two regularisation schemes based on the minimisation of a least-squares objective function with a regularised residual are introduced. These schemes preserve the underdetermined structure of the problem and the corresponding Jacobians satisfy the full rank property. Further, it is established that a sequence of solutions of the regularised problems converges to a solution of the original problem if the regularisation parameter decreases to zero.
To compute solutions of the considered underdetermined nonlinear least-squares problems, preconditioning approaches for gradient-based schemes are investigated. To this end, the standard gradient method, which serves as a basis for the proposed preconditioning approaches, is discussed. Specifically, a semi-local convergence result is presented, where, in contrast to local convergence theorems, the existence of a solution is not assumed a priori but follows from the convergence of a sequence obtained by this gradient scheme. The assumptions for this convergence result are transferred to the case of quadratic data fitting problems and supervised training problems. Moreover, the application of the gradient method to minimise the underdetermined regularised least-squares objective function that appear in both regularisation strategies is investigated. It is proven that the sequence of solutions obtained by the gradient method for regularised problems with varying regularisation parameter converges to a solution of the original problem if the regularisation parameter tends to zero. Results of numerical experiments illustrate this property.
Preconditioning approaches with fixed transformation matrices are introduced. Motivated from the linear case, these schemes are classified as left, right, and split preconditioning methods depending on the space in which the transformation is applied. A convergence result for a left preconditioning method is proven. Further, flexible preconditioning schemes where the transformation matrix is allowed to vary during the gradient iteration are addressed.
For nonlinear least-squares problems, a left preconditioning scheme with fixed transformation matrix based on a random subspace embedding is designed. A relation of the condition number of the Jacobian of the transformed residual function to the distortion of the subspace embedding is established. Results from numerical experiments on supervised learning problems are shown, which demonstrate a striking improvement of the convergence rate of the randomised preconditioned method compared to the standard gradient method.
Inspired by spectral multigrid preconditioners, a flexible right preconditioning scheme is defined using the eigendecomposition of the Hessian of the least-squares objective function that complements the gradient method. Based on the resemblance to algebraic multigrid schemes, an approach to compute a similar transformation matrix with less computational effort is suggested. Additionally, the combination of this gradient and coarse-level correction scheme with the randomised left preconditioning approach is analysed. The resulting scheme gives a flexible split preconditioned gradient method. A numerical investigation of these flexible right and split preconditioning schemes is included. These results demonstrate that the combination of the gradient method with a coarse-level correction leads to a faster reduction of the least-squares objective function in terms of iterations compared to the standard gradient method, and that the split preconditioned gradient scheme converges even faster.
Another efficient method for solving nonlinear systems of equations is the class of quasi-Newton methods, which represent flexible left preconditioned gradient schemes. In this context, an update formula for the Moore-Penrose inverse of the Jacobian approximations obtained by the Broyden update for underdetermined problems is developed. A semi-local convergence result for general quasi-Newton methods is proven. Sufficient conditions for the convergence of the quasi-Newton scheme resulting from the developed new updating procedure based on the Broyden update are given. These conditions are transferred to the context of quadratic data fitting problems and the supervised training of shallow neural networks. Further, for the considered regularised problems, it is established that the sequence of solutions obtained by the proposed quasi-Newton scheme applied to find a zero of the regularised residual functions converges to a solution of the original problem if the regularisation parameters decrease to zero. Results of numerical experiments on quadratic data fitting problems, eigenvalue problems, and supervised training problems are included to support the
theoretical findings.
A description of the problems' settings, the specifications of the applied algorithms, and the Python program used for the numerical experiments is included.Diese Arbeit widmet sich der theoretischen und numerischen Untersuchung von Vorkonditionierungsmethoden für Gradientenschemata zur Lösung unterbestimmter nichtlinearer Kleinste-Quadrate-Probleme. Insbesondere werden Probleme mit Nullresiduen betrachtet, die dem Problem der Lösung unterbestimmter nichtlinearer Gleichungssysteme entsprechen. Diese Probleme treten in verschiedenen Bereichen auf, z. B. bei nichtlinearen Eigenwertproblemen, partiellen Differentialgleichungen und im Zusammenhang mit Datenanpassung. Ein spezifisches Beispiel aus der letztgenannten Klasse ist das überwachte Training von überparametrisierten künstlichen neuronalen Netzen. In diesem Fall machen eine große Anzahl von Parametern und eine komplexe Problemstruktur die Lösung dieser Probleme zu einer Herausforderung, und die Entwicklung effizienter Methoden mit garantierter Konvergenz ist von größter Bedeutung.
In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen Lösungen von nichtlinearen Kleinste-Quadrate-Probleme und nichtlinearen Gleichungssystemen erläutert. Außerdem wird ein Ergebnis über die Existenz von Lösungen vorgestellt, das auf der Existenz eines Punktes mit einem hinreichend kleinem Wert der Residuenfunktion und einer Vollrangannahme für die Jacobimatrix der Residuenfunktion um diesen Punkt herum beruht. Dieser theoretische Rahmen wird im Zusammenhang mit quadratischen Datenanpassungsproblemen und überwachten Trainingsproblemen diskutiert.
In einigen Fällen liegt jedoch keine Vollrang-Eigenschaft vor, und es sind Regularisierungstechniken erforderlich, um die Existenz von Lösungen und die Konvergenz von Iterationsverfahren zu gewährleisten. Zu diesem Zweck werden zwei Regularisierungsverfahren eingeführt, die auf der Minimierung einer Kleinste-Quadrate-Zielfunktion mit einer regularisierten Residuenfunktion beruhen. Diese Verfahren bewahren die unterbestimmte Struktur des Problems, und die entsprechenden Jacobimatrizen haben vollen Rang. Ferner wird festgestellt, dass eine Folge von Lösungen der regularisierten Probleme zu einer Lösung des ursprünglichen Problems konvergiert, wenn der Regularisierungsparameter auf Null sinkt.
Um Lösungen für die betrachteten unterbestimmten nichtlinearen Kleinste-Quadrate-Probleme zu berechnen, werden Vorkonditionierungsansätze für gradientenbasierte Verfahren untersucht. Zu diesem Zweck wird das Standard-Gradientenverfahren, das als Grundlage für die vorgeschlagenen Vorkonditionierungsansätze dient, diskutiert. Insbesondere wird ein semilokales Konvergenzergebnis vorgestellt, bei dem im Gegensatz zu lokalen Konvergenztheoremen die Existenz einer Lösung nicht a priori vorausgesetzt wird, sondern aus der Konvergenz einer mit diesem Gradientenschema erhaltenen Sequenz folgt. Die Annahmen für dieses Konvergenzergebnis werden auf den Fall von quadratischen Datenanpassungsproblemen und überwachten Trainingsproblemen übertragen. Darüber hinaus wird die Anwendung der Gradientenmethode zur Minimierung der unterbestimmten regularisierten Kleinste-Quadrate-Zielfunktion untersucht, die in beiden Regularisierungsstrategien auftritt. Es wird bewiesen
dass die Folge von Lösungen, die durch die Gradientenmethode für regularisierte Probleme mit variierenden Regularisierungsparametern erhalten wird, zu einer Lösung des ursprünglichen Problems konvergiert, wenn der Regularisierungsparameter gegen Null tendiert. Ergebnisse von numerischen Experimenten veranschaulichen diese Eigenschaft.
Es werden Vorkonditionierungsansätze mit festen Transformationsmatrizen vorgestellt. Ausgehend vom linearen Fall werden diese Verfahren als linke, rechte und geteilte Vorkonditionierungsmethoden klassifiziert, je nach dem Raum, in dem die Transformation angewendet wird. Es wird ein Konvergenzergebnis für eine linke Vorkonditionierungsmethode bewiesen. Außerdem werden flexible Vorkonditionierungsverfahren behandelt, bei denen die Transformationsmatrix während der Gradienteniteration variieren kann.
Für nichtlineare Kleinste-Quadrate-Probleme wird ein linkes Vorkonditionierungsschema mit fester Transformationsmatrix auf der Grundlage einer zufälligen Unterraumeinbettung entworfen. Es wird eine Beziehung zwischen der Konditionszahl der Jacobimatrix der transformierten Residuenfunktion und der Verzerrung der Unterraumeinbettung hergestellt. Es werden Ergebnisse aus numerischen Experimenten zu überwachten Lernproblemen gezeigt, die eine deutliche Verbesserung der Konvergenzrate der randomisierten vorkonditionierten Methode im Vergleich zur Standard-Gradientenmethode belegen.
Inspiriert von spektralen Mehrgitterkonditionierern wird ein flexibles rechtes Vorkonditionierungsschema definiert, das die Eigenwertzerlegung der Hessematrix der Kleinste-Quadrate-Zielfunktion verwendet und die Gradientenmethode ergänzt. Aufgrund der Ähnlichkeit mit algebraischen Mehrgitterverfahren wird ein Ansatz zur Berechnung einer ähnlichen Transformationsmatrix mit geringerem Rechenaufwand vorgeschlagen. Darüber hinaus wird die Kombination dieses Gradienten- und Grobkorrekturverfahrens mit dem randomisierten linken Vorkonditionierungsansatz analysiert. Das resultierende Schema ergibt ein flexibles, geteiltes vorkonditioniertes Gradientenverfahren. Eine numerische Untersuchung dieser flexiblen rechten und geteilten Vorkonditionierungsverfahren ist enthalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination der Gradientenmethode mit einer Grobkorrektur zu einer schnelleren Reduktion der Kleinste-Quadrate-Zielfunktion in Bezug auf die Iterationen im Vergleich zur Standard-Gradientenmethode führt und dass das geteilte vorkonditionierte Gradientenverfahren sogar noch schneller konvergiert.
Eine weitere effiziente Methode zur Lösung nichtlinearer Gleichungssysteme ist die Klasse der Quasi-Newton-Methoden, die flexible linkskonditionierte Gradientenverfahren darstellen. In diesem Zusammenhang wird eine Aktualisierungsformel für die Moore-Penrose-Inverse der durch die Broyden-Aktualisierung erhaltenen Jacobi-Approximationen für unterbestimmte Probleme entwickelt. Es wird ein halblokales Konvergenzergebnis für allgemeine Quasi-Newton-Verfahren bewiesen. Es werden hinreichende Bedingungen für die Konvergenz des Quasi-Newton-Verfahrens gegeben, das aus dem entwickelten neuen Aktualisierungsverfahren auf der Grundlage der Broyden-Aktualisierung resultiert. Diese Bedingungen werden auf den Kontext von quadratischen Datenanpassungsproblemen und das überwachte Training von flachen neuronalen Netzen übertragen. Ferner wird für die betrachteten regularisierten Probleme festgestellt, dass die durch das vorgeschlagene Quasi-Newton-Schema, das angewendet wird, um eine Nullstelle der regularisierten Restfunktionen zu finden, erhaltene Folge von Lösungen zu einer Lösung des ursprünglichen Problems konvergiert, wenn die Regularisierungsparameter auf Null sinken. Die Ergebnisse numerischer Experimente zu quadratischen Datenanpassungsproblemen, Eigenwertproblemen und überwachten Trainingsproblemen sind enthalten, um die theoretischen Erkenntnisse zu untermauern.
Eine Beschreibung der Problemstellungen, der Spezifikationen der angewandten Algorithmen und des für die numerischen Experimente verwendeten Python-Programms ist ebenfalls enthalten