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Einzelzell-transkriptomik des Gebärmutterhalsepithels nach HPV-Chlamydien-infektionen und die Entwicklung der gastroösophagealen Verbindungsstelle
No full textThe cervix of the female reproductive tract (FRT) plays a critical role as a barrier against pathogen invasion, maintaining the sterility of the upper reproductive tract. However, continuous exposure to external stressors such as acidic environments and microbes increases the risk of infections and mucosal stress or injury. The outermost region of the cervix, known as the ectocervix, is particularly susceptible to high microbial loads compared to the inner endocervix. The transition zone (TZ), where the ectocervix's multi-layered stratified squamous epithelium meets the endocervix's single-layered columnar epithelium, is highly prone to infections and cancer development. Human papillomavirus (HPV) is a primary cause of cervical cancer, specifically targeting the stratified epithelium of the ectocervix. Additionally, cofactors such as co-infection with other pathogens and immune suppression play critical roles in the progression of HPV-induced cancers. However, the mechanisms underlying the cohabitation of these pathogens and their role in neoplastic progression remain unclear. While investigating the host-pathogen interaction is crucial, it's equally important to acknowledge the diverse composition of epithelial cell types in the cervix, each with unique roles and gene profiles. Hence, a comprehensive understanding of the innate immune profiles of these cells is essential to understand the perturbations caused by infections and evaluate pathogen susceptibility across ecto- and endocervical regions. Furthermore, the gastroesophageal junction is analogous to the TZ in the cervix, where the stratified squamous epithelium of the esophagus meets the glandular columnar epithelium of the stomach. Much like the cervix, this area is highly susceptible to cancers, often preceded by metaplasia. Chronic gastric reflux leads to esophageal mucosal damage, triggering a unique tissue adaptation where the native squamous epithelium of the esophagus is replaced by columnar epithelia, resulting in Barrett’s esophagus (BE), increasing the risk of esophageal cancers with poor prognosis. Despite its critical importance in the pathophysiology of gastrointestinal diseases, understanding the molecular mechanisms of epithelial homeostasis in this region and the role of the underlying stroma in maintaining it could significantly enhance our knowledge of gastrointestinal tract pathogenesis. Additionally, this understanding could provide valuable insights into the similarities and differences between the cervix and gastroesophageal transition zones.
In the first part of this thesis, I investigated the systemic effects of HPV and Chlamydia trachomatis coinfection on host epithelia using patient-derived 3D cervical organoid models that mimic in vivo tissue architecture. To mimic persistent HPV infection, HPV16 E6E7 oncogenes were integrated into the genome of ectocervical epithelial stem cells and generated mature organoids. These HPV16 E6E7 organoids were coinfected with C. trachomatis and subjected to bulk transcriptomic analysis. Each of these pathogens induces similar and unique
alterations to host signaling, contributing to a mutagenic microenvironment. Interestingly, I observed an increased stemness and reduced differentiation programs induced by both pathogens in the infected epithelia, highlighting their potential to reprogram host cells and induce dysplastic changes. Further, through comparative analysis with clinical cervical intraepithelial neoplasia (CIN) transcriptome, I found a strong correlation between the transcriptional signatures of HPV E6E7 and coinfection with C. trachomatis induced alteration similar to CIN transcriptional signatures. These results indicate that both pathogens HPV and C. trachomatis can drive preneoplastic changes in ectocervical epithelial cells, and their coinfection can contribute to a synergistic effect.
Notably, it is found that the susceptibility to infections varies between ecto- and endocervical epithelia, although the reasons behind this are unclear. In the second part of my thesis, I addressed this knowledge gap by conducting single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) experiments employing cervical organoid infection models. Through comparative transcriptomic analysis, I deciphered cellular heterogeneity and lineage development within both ecto- and endocervical epithelia and provided insights into the transcriptional factor profiles and intercellular communication dynamics during C. trachomatis infection. I identified basal squamous stem cells, parabasal cells, and terminally differentiated populations within the ectocervix. In contrast, beyond the conventional secretory and ciliated cells in the endocervix, I also identified stem cell compartment, transitional cells, and a population with robust antigen-presenting and anti-microbial secretion profiles. Following C. trachomatis infection, we observed increased susceptibility and disruption of ectocervical organoids over time, while endocervical organoids remained intact. scRNA-seq analysis also revealed such similarity with increased expression of genes associated with tissue integrity and maintenance in both ecto- and endocervix post-infection. But strikingly, I found that a specific subset of the columnar epithelium of the endocervix is transcriptionally remodeled with high IFN response, immunomodulatory signaling, and defensin secretion. Remarkably, we showed that these secreted defensin molecules were found to reduce the infectivity of C. trachomatis. The insights on the similarities and distinctions between the epithelial subpopulations within these two regions and how these different epithelial subtypes respond to pathogens will be a valuable resource for designing therapeutics to effectively target or prime specific cell types against infections, thereby advancing clinical interventions.
In the final part of my thesis, I investigated the evolution dynamics of gastroesophageal squamocolumnar junction (GE-SCJ) using scRNA-seq analysis of mice tissues at different developmental stages, including embryonic day 15 (E15), E19, newborn (pup), and adult stages. I identified the cellular heterogeneity, distinct transcriptional states, and signaling
pathways in the esophagus and stomach epithelial and mesenchymal compartments driving development from embryonic to adult stage. My analysis revealed the presence of a unique precursor cell population (Sox11+Vcan+Cldn6+) during embryonic stages that gave rise to p63+Krt5+ squamous epithelia and Krt7+Krt8+ glandular columnar epithelia during development. Strikingly, I found that this population gradually diminished during development and was absent in the adult stage, indicating that adult epithelial stem cells are lineage-committed and are, in turn, responsible for maintaining tissue homeostasis in the GE-SCJ. However, the epithelial tissue architecture, regeneration, repair, and homeostasis are primarily supported by the underlying fibroblast subsets. Given the lack of information on tissue-resident fibroblasts and their spatial organization and role in specifying epithelial lineages during GE-SCJ histogenesis and homeostasis, I defined stromal and epithelial cellular subpopulations and conducted a comprehensive profiling of various morphogenetic signaling pathways, including WNT, BMP, FGF, and PDGF, at different developmental time points. My findings revealed the establishment of distinct WNT signaling microenvironments crucial for proper esophageal growth (WNT-suppressed, as observed in the ectocervix) and stomach growth (WNT-dependent, similar to the endocervix). Additionally, we demonstrated the spatial localization of identified fibroblast subtypes and epithelial subpopulations and validated signaling directionality for some pathways during the pre- and postnatal stages. These insights underscore the significance of niche signaling and offer valuable groundwork for understanding the evolution and maintenance of the SCJ, thereby shedding light on cellular remodeling processes contributing to metaplasia and cancer development.Der gebärmutterhals des weiblichen fortpflanzungstrakts (FRT) spielt eine entscheidende rolle als barriere gegen das eindringen von krankheitserregern und sorgt für die aufrechterhaltung der sterilität des oberen fortpflanzungstrakts. Allerdings erhöht eine ständige exposition gegenüber externen stressfaktoren wie einem sauren milieu und mikroben das risiko von infektionen und schleimhautbelastungen oder -verletzungen. Der äußerste bereich des gebärmutterhalses, die so genannte ektozervix, ist im vergleich zur inneren endozervix besonders anfällig für hohe mikrobielle belastungen. Die übergangszone (TZ), in der das mehrschichtige plattenepithel der ektozervix auf das einschichtige säulenepithel der endozervix trifft, ist sehr anfällig für infektionen und die entstehung von krebs. Das humane papillomavirus (HPV) ist eine der hauptursachen für gebärmutterhalskrebs und befällt insbesondere das geschichtete epithel der ektozervix. Darüber hinaus spielen kofaktoren wie die koinfektion mit anderen krankheitserregern und die immunsuppression eine entscheidende rolle bei der entstehung von HPV-induzierten krebserkrankungen. Die mechanismen, die dem zusammenleben dieser erreger zugrunde liegen, und ihre rolle bei der neoplastischen progression sind jedoch noch unklar. Die untersuchung der wirt-pathogen-interaktion ist zwar von entscheidender bedeutung, aber ebenso wichtig ist es, die vielfältige zusammensetzung der epithelzelltypen im gebärmutterhals zu berücksichtigen, von denen jeder eine eigene rolle und ein eigenes genprofil hat. Daher ist ein umfassendes verständnis der angeborenen immunprofile dieser zellen unerlässlich, um die durch infektionen verursachten störungen zu verstehen und die anfälligkeit für krankheitserreger in den ekto- und endozervikalen regionen zu bewerten. Darüber hinaus ähnelt der gastroösophageale übergang der TZ im gebärmutterhals, wo das geschichtete plattenepithel der speiseröhre auf das drüsen-säulenepithel des magens trifft. Ähnlich wie der gebärmutterhals ist dieser bereich sehr anfällig für krebserkrankungen, denen häufig eine metaplasie vorausgeht. Chronischer magenreflux führt zu einer schädigung der speiseröhrenschleimhaut und löst eine einzigartige gewebeanpassung aus, bei der das ursprüngliche plattenepithel der speiseröhre durch säulenepithel ersetzt wird, was zu einem Barrett-Ösophagus (BE) führt und das risiko für speiseröhrenkrebs mit schlechter prognose erhöht. Trotz seiner entscheidenden bedeutung für die pathophysiologie von magen-darm-erkrankungen könnte das verständnis der molekularen mechanismen der epithelialen homöostase in dieser region und der rolle des darunter liegenden stromas bei der aufrechterhaltung dieser homöostase unser wissen über die pathogenese des gastrointestinaltrakts erheblich erweitern. Darüber hinaus könnte dieses verständnis wertvolle einblicke in die gemeinsamkeiten und unterschiede zwischen dem gebärmutterhals und den gastroösophagealen übergangszonen liefern.
xiv
Im ersten teil dieser arbeit untersuchte ich die systemischen auswirkungen einer HPV- und Chlamydia trachomatis-koinfektion auf wirtsepithelien anhand von 3D-organoidmodellen des gebärmutterhalses, die die gewebearchitektur in vivo nachahmen. Um eine persistente HPV-infektion nachzuahmen, wurden HPV16 E6E7-onkogene in das genom von ektozervikalen epithelialen stammzellen integriert und reife organoide erzeugt. Diese HPV16 E6E7 organoide wurden mit C. trachomatis koinfiziert und einer transkriptomanalyse unterzogen. Jeder dieser krankheitserreger induziert ähnliche und einzigartige veränderungen der wirtssignale und trägt so zu einer mutagenen mikroumgebung bei. Interessanterweise beobachtete ich, dass beide erreger in den infizierten epithelien eine verstärkte stammzellenbildung und reduzierte differenzierungsprogramme auslösten, was ihr potenzial zur umprogrammierung von wirtszellen und zur auslösung dysplastischer veränderungen unterstreicht. Durch eine vergleichende analyse mit dem transkriptom der klinischen zervikalen intraepithelialen neoplasie (CIN) fand ich außerdem eine starke korrelation zwischen den transkriptionssignaturen von HPV E6E7 und der koinfektion mit C. trachomatis, die ähnliche veränderungen wie die transkriptionssignaturen von CIN hervorruft. Diese ergebnisse deuten darauf hin, dass beide erreger, HPV und C. trachomatis, präneoplastische veränderungen in ektozervikalen epithelzellen hervorrufen können, und dass ihre koinfektion zu einem synergistischen effekt beitragen kann.
Insbesondere wurde festgestellt, dass die anfälligkeit für infektionen zwischen ekto- und endozervikalen epithelien variiert, obwohl die gründe hierfür unklar sind. Im zweiten teil meiner dissertation habe ich diese Wissenslücke durch die durchführung von einzelzell-RNA-sequenzierungsexperimenten (scRNA-seq) mit zervikalen organoid-infektionsmodellen geschlossen. Durch vergleichende transkriptomische analysen entschlüsselte ich die zelluläre heterogenität und die entwicklung von zelllinien sowohl in ekto- als auch in endozervikalen epithelien und lieferte einblicke in die profile der transkriptionsfaktoren und die dynamik der interzellulären communikation während einer C. trachomatis-Infektion. Ich identifizierte basale plattenepithelzellen, parabasale zellen und endständig differenzierte populationen in der ektozervix. Im gegensatz dazu identifizierte ich in der endozervix neben den herkömmlichen sekretorischen und flimmerzellen auch stammzellkompartimente, übergangszellen und eine population mit robusten antigen-präsentierenden und antimikrobiellen sekretionsprofilen. Nach einer infektion mit C. trachomatis beobachteten wir im laufe der zeit eine erhöhte anfälligkeit und zerstörung der ektozervikalen organoide, während die endozervikalen organoide intakt blieben. Die scRNA-seq-analyse zeigte ebenfalls eine erhöhte expression von genen, die mit der integrität und aufrechterhaltung des gewebes verbunden ist, sowohl in der ekto- als auch in der endozervix nach der infektion. Auffallend war jedoch, dass eine spezifische untergruppe des säulenepithels der endozervix transkriptionell umgestaltet ist und eine starke IFN-antwort,
immunmodulatorische signalübertragung und defensin-sekretion aufweist. Bemerkenswerterweise konnten wir zeigen, dass diese sezernierten defensinmoleküle die infektiosität von C. trachomatis verringern. Die erkenntnisse über die gemeinsamkeiten und unterschiede zwischen den epithel-subpopulationen in diesen beiden regionen und darüber, wie diese verschiedenen epithel-subtypen auf krankheitserreger reagieren, werden eine wertvolle ressource für die entwicklung von therapeutika sein, die bestimmte zelltypen wirksam gegen infektionen angreifen oder primen und so klinische interventionen vorantreiben.
Im letzten teil meiner dissertation untersuchte ich die entwicklungsdynamik der gastroösophagealen squamokolumnaren verbindung (GE-SCJ) mit hilfe von scRNA-seq-analysen von mäusegeweben in verschiedenen entwicklungsstadien, einschließlich embryonaltag 15 (E15), E19, neugeborene und adulte stadien. Ich identifizierte die zelluläre heterogenität, unterschiedliche transkriptionszustände und signalwege in den epithelialen und mesenchymalen kompartimenten von speiseröhre und magen, die die entwicklung vom embryonal- zum erwachsenenstadium vorantreiben. Meine analyse ergab das vorhandensein einer einzigartigen vorläuferzellpopulation (Sox11+Vcan+Cldn6+) im embryonalstadium, aus der sich im laufe der entwicklung p63+Krt5+ plattenepithelien und Krt7+Krt8+ drüsen-säulenepithelien entwickelten. Bemerkenswerterweise stellte ich fest, dass diese population im laufe der entwicklung allmählich abnahm und im adulten stadium fehlte, was darauf hindeutet, dass adulte epithelstammzellen für die abstammung verantwortlich sind und ihrerseits für die aufrechterhaltung der gewebehomöostase im GE-SCJ zuständig sind. Die architektur des epithelgewebes, die regeneration, die reparatur und die homöostase werden jedoch in erster linie durch die darunter liegenden fibroblastenuntergruppen unterstützt. Angesichts des mangels an informationen über gewebeeigene fibroblasten, ihre räumliche organisation und ihre rolle bei der spezifizierung epithelialer linien während der GE-SCJ-histogenese und -homöostase habe ich stromale und epitheliale zellsubpopulationen definiert und ein umfassendes profiling verschiedener morphogenetischer signalwege, einschließlich WNT, BMP, FGF und PDGF, zu verschiedenen entwicklungszeitpunkten durchgeführt. Meine ergebnisse zeigten die etablierung unterschiedlicher WNT-signalmikroumgebungen, die für das richtige wachstum der speiseröhre (WNT-unterdrückt, wie in der ektozervix beobachtet) und des magens (WNT-abhängig, ähnlich wie in der endozervix) entscheidend sind. Darüber hinaus konnten wir die räumliche lokalisierung der identifizierten fibroblasten-subtypen und epithel-subpopulationen nachweisen und die signalrichtung einiger signalwege während der prä- und postnatalen stadien bestätigen. Diese erkenntnisse unterstreichen die bedeutung der nischensignalgebung und bieten eine wertvolle grundlage für das verständnis der entwicklung und aufrechterhaltung der SCJ, und werfen so licht auf zelluläre umbauprozesse, die zur metaplasie und krebsentstehung beitragen
Datengetriebenes Quality-of-Experience-Management vorherrschender Internetanwendungen
No full textThe Internet has become an essential part of everyday life, supporting information access, communication, news consumption, social media, and entertainment.
Consequently, web browsing and video streaming dominate today's network traffic, placing significant pressure on all stakeholders involved in the service delivery chain, while end users continue to expect seamless performance and high service quality, independent of underlying technologies. Optimizing Quality of Experience (QoE) is thus essential for all stakeholders across the service delivery chain, as poor experiences might result in user churn and, ultimately, revenue loss.
Thus, this thesis addresses the optimization of QoE for prevailing Internet applications in three stages. First, subjective user studies are conducted to assess the suitability of the Google Core Web Vitals for holistic web QoE models and to assess the impact of cookie consent banners on perceived quality.
Second, the feasibility of data-driven QoE modeling using explainable artificial intelligence (XAI) is investigated, combining the advantages of classical modeling approaches with those of machine learning.
Finally, strategies for optimizing short-form video services, such as TikTok or Instagram Reels, are explored at both the application and network levels.
Overall, this work contributes to the holistic, user-centered optimization of modern Internet applications.Das Internet ist zu einem wesentlichen Bestandteil des täglichen Lebens geworden und unterstützt den Zugang zu Informationen, Kommunikation, Nachrichtenkonsum, soziale Medien sowie Unterhaltung.
Infolgedessen dominieren Web-Browsing und Videostreaming den heutigen Netzwerkverkehr, was alle an der Dienstbereitstellung beteiligten Akteure erheblich unter Druck setzt, während Endnutzer weiterhin eine nahtlose Leistung und hohe Dienstqualität erwarten, unabhängig von den zugrunde liegenden Technologien. Die Optimierung der Quality of Experience (QoE) ist daher für alle Akteure entlang der Dienstbereitstellungskette von zentraler Bedeutung, da schlechte Nutzererfahrungen zu Abwanderung von Nutzern und letztlich zu Umsatzeinbußen führen können.
Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Arbeit in drei Schritten mit der Optimierung der QoE für vorherrschende Internetanwendungen. Zunächst werden subjektive Nutzerstudien durchgeführt, um die Eignung der Google Core Web Vitals für ganzheitliche Web-QoE-Modelle sowie den Einfluss von Cookie-Zustimmungsbannern auf die wahrgenommene Qualität zu untersuchen.
Anschließend wird die Machbarkeit einer datengetriebenen QoE-Modellierung mithilfe erklärbarer Künstlicher Intelligenz (XAI) analysiert, die die Vorteile klassischer Modellierungsansätze mit denen des maschinellen Lernens verbindet.
Abschließend werden Strategien zur Optimierung von Kurzformvideo-Diensten wie TikTok oder Instagram Reels sowohl auf Anwendungs- als auch auf Netzwerkebene untersucht.
Insgesamt leistet diese Arbeit einen Beitrag zur ganzheitlichen, nutzerzentrierten Optimierung moderner Internetanwendungen
Adapter-vermittelte Umlenkung von Lymphom-spezifischen CAR T Zellen für eine flexible multi-Antigen-Zielsteuerung
No full textCD19-directed chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapy is a novel therapy approach that is effective in many patients suffering from B cell malignancies resulting in unprecedented response rates and long-term survival. Still, loss of the targeted antigen from the tumor cell surface is a major resistance mechanism leading to antigen-negative relapse in a substantial fraction of patients.
In this study, we enhance conventional CAR T cell therapy by introducing the ability for adapter-mediated redirection of CAR T cells towards alternative tumor targets in the event of antigen loss. To this end, we produce conventional and adapter dual (ConvAD) CAR T cells that co-express a lymphoma-specific conventional CAR and a P329G adapter CAR. The P329G CAR binds the P329G amino acid substitution in specifically Fc-mutated human antibodies, which in turn are antigen-specific and thereby redirect the adapter CAR to the targeted antigen in a modular fashion.
The ConvAD CAR platform combines the strong, clinically proven anti-tumor efficacy of a conventional CAR with the modular and externally steerable redirection capabilities of an adapter CAR. In B cell non-Hodgkin lymphoma (B-NHL), we demonstrate, that ConvAD CAR T cells maintain robust functionality against the primary antigen of the conventional CAR while enabling modular redirection to additional targets through antigen-specific adapter antibodies.
We show that ConvAD CAR T cells have unique bimodal functionality acting through engagement of both, the conventional CAR and the P329G CAR. This dual reactivity allows ConvAD CAR T cells to prevent antigen-negative tumor relapse through flexible targeting of additional antigens. In B-NHL models of antigen loss, multi-antigen targeting ConvAD CAR T cells outperform conventional CAR T cells, P329G CAR T cells and even bispecific CAR T cells in vitro an in vivo. Thus, the ConvAD CAR platform meets a critical medical need by enabling effective multi antigen targeting to overcome antigen escape in lymphoma.CD19-spezifische Chimäre Antigenrezeptor (CAR) T-Zelltherapie stellt einen neuartigen Therapieansatz dar, der sich bei vielen Patient:innen mit B-Zell-Malignomen als wirksam erwiesen hat und zu bislang unerreichten Ansprechraten sowie langfristigem Überleben führt. Dennoch stellt der Verlust des Zielantigens von der Tumorzelloberfläche einen wesentlichen Resistenzmechanismus dar, der bei einem erheblichen Anteil der Patient:innen zu einem antigennegativen Rezidiv führen kann. In dieser Studie erweitern wir die konventionelle CAR T-Zelltherapie, indem wir die Möglichkeit zur adaptervermittelten Umlenkung von CAR T-Zellen auf alternative Tumorziele im Falle eines Antigenverlusts einführen. Hierzu erzeugen wir konventionell-und-Adapter-duale (ConvAD) CAR T-Zellen, die sowohl einen lymphomspezifischen konventionellen CAR als auch einen P329G Adapter CAR koexprimieren. Der P329G CAR bindet an eine spezifische Fc-Mutation (P329G Aminosäuresubstitution) in humanen Antikörpern, die ihrerseits antigenspezifisch sind und somit den Adapter CAR modular auf das gewünschte Zielantigen lenken. Die ConvAD CAR-Plattform kombiniert die starke, klinisch validierte antitumorale Wirksamkeit eines konventionellen CAR mit der modularen und extern steuerbaren Umlenkbarkeit eines Adapter CARs. In der Behandlung des B-Zell-Non-Hodgkin-Lymphoms (B-NHL) zeigen wir, dass ConvAD CAR T-Zellen robuste Funktionalität gegenüber dem Primärantigen des konventionellen CAR aufrechterhalten, während gleichzeitig eine modulare Umlenkung auf zusätzliche Zielstrukturen durch antigenspezifische Adapterantikörper ermöglicht wird. Wir zeigen, dass ConvAD CAR-T-Zellen über eine einzigartige Bifunktionalität verfügen, indem sie sowohl über den konventionellen CAR als auch über den P329G CAR ansteuerbar sind. Dadurch übertreffen multi-antigen spezifische ConvAD CAR T Zellen konventionelle CAR T Zellen, P329G CAR T Zellen und selbst bispezifische CAR T Zellen in B-NHL Antigenverlustmodellen in vitro und in vivo. Somit adressiert die ConvAD-CAR-Plattform einen dringenden medizinischen Bedarf, indem sie eine effektive multizielgerichtete Therapie zur Überwindung von Antigenverlust bei Lymphomen ermöglicht
Comparative in vitro analysis of the murine hepatocyte cell system AML-12 with L929 under methionine restriction regarding cell proliferation, metabolism, and gene expression
No full textTrotz stetiger Fortschritte in der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden bleibt die erfolgreiche Therapie von Tumorerkrankungen eine Herausforderung für die Wissenschaft und moderne Medizin. Dies gilt auch für HNSCCs, welche den Großteil aller Tumoren des Kopfbereichs ausmachen. Trotz modernen, multimodalen Therapiemethoden sind die Überlebensraten noch nicht zufriedenstellend und es wird an weiteren Möglichkeiten geforscht, neoplastisches Zellwachstum zu beeinflussen. Seit Otto Warburg den gesteigerten Energiebedarf von Krebszellen durch eine erhöhte Glukoseaufnahme erklärte, ist „Energie“ ein zentraler Ansatzpunkt und Gegenstand der Krebsforschung (Warburg, 1924). Die Einflussnahme auf den Energiezustand einer Zelle und damit auf den zelleigenen Metabolismus führt dazu, dass Zellen in einen umprogrammierten Zustand, den LEM, übergehen, welcher unter anderem die Zellproliferation hemmen kann. Dabei spielt die Aminosäure Methionin eine entscheidende Rolle, da sie durch ihre übergeordnete Rolle im Hinblick auf Energie und Biomasse den LEM durch mTOR-Hemmung effizient induzieren kann. Am Fibroblasten L929 durchgeführte Versuche zur MetR konnten bereits deutliche Ergebnisse hinsichtlich der Inhibition der Zellproliferation zeigen. Fraglich war jedoch, wie ein stoffwechselspezifisches Organ, aufgrund seiner umfangreichen Enzymausstattung mit dem Entzug dieser AS umgehen würde. Da die Leber in Hinblick auf Energielieferanten eine altruistische Rolle im Organismus einnimmt, könnte sie möglicherweise die MetR besser oder anders kompensieren. Die Untersuchungen wurden modellhaft an der Hepatozyten-Zelllinie AML-12 durchgeführt. Proliferationsassays konnten zeigen, dass auch die Leberzelllinie mit einer gehemmten Proliferation auf MetR reagierte. Es konnte auch herausgearbeitet werden, dass sie deutlich niedrigere AS-Konzentrationen tolerierte, bis zu denen sie ein „normales“ Wachstum ihrer Zellpopulation fortführen konnte. Bei der Untersuchung von Genen, die im Zusammenhang mit dem Energiestatus der Zelle stehen, konnte gezeigt werden, dass der durch MetR eintretende Effekt innerhalb der ersten 72 h auf metabolen Anpassungen beruht. Mittels LC/MS konnten schlussendlich über 150 Metabolite unter MetR und Normalbedingungen gemessen werden, die letztendlich den metaboler Finger- und Fußabdruck generierten, definiert durch die Metabolite Citrat, Metabolite der Kreatin-Gruppe (Kreatin), GSSG, ADP, die NAD-Gruppe, Pentose5-P und die Fettsäurespeicherung (CoA). Dies veranschaulichte, dass AML-12 intrazellulär im Gegensatz zu Zelltypen ohne Verteilerfunktion wichtige Metabolite anreicherte und zur Aufrechterhalten des RedOx-Status beitrug.Despite steady progress in the development of new treatment methods, the successful treatment of tumor diseases remains a challenge for science and modern medicine. This also applies to HNSCCs, which account for the majority of all tumors in the head region. Despite modern, multimodal therapy methods, survival rates are still unsatisfactory and research is continuing into further possibilities for influencing neoplastic cell growth. Since Otto Warburg explained the increased energy requirements of cancer cells through increased glucose uptake, “energy” has been a central focus and subject of cancer research (Warburg, 1924). Influencing the energy state of a cell and thus its metabolism causes cells to transition into a reprogrammed state, known as LEM, which can inhibit cell proliferation, among other things. The amino acid methionine plays a crucial role in this process, as its overarching role in energy and biomass allows it to efficiently induce LEM through mTOR inhibition. Experiments on MetR conducted on L929 fibroblasts have already shown clear results in terms of inhibiting cell proliferation. However, it was questionable how a metabolism-specific organ would cope with the withdrawal of this aminoacid due to its extensive enzyme equipment.Since the liver plays an altruistic role in the organism in terms of energy supply, it could possibly compensate for MetR better or differently. The investigations were carried out using the hepatocyte cell line AML-12 as a model system. Proliferation assays showed that the liver cell line also responded to MetR with inhibited proliferation. It was also found that it tolerated significantly lower aminoacid concentrations, up to which it was able to continue “normal” growth of its cell population. The investigation of genes related to the energy status of the cell showed that the effect of MetR within the first 72 hours is based on metabolic adaptations. Using LC/MS, more than 150 metabolites were measured under MetR and normal conditions, which ultimately generated the metabolic fingerprint and footprint, defined by the metabolites citrate, metabolites of the creatine group (creatine), GSSG, ADP, the NAD group, pentose5-P, and fatty acid storage (CoA). This illustrated that AML-12 enriched important metabolites intracellularly, in contrast to cell types without a distributor function, and contributed to maintaining the redox status
Fernerkundung Afrikanischer Oberflächenwasserdynamiken. Trend-, Muster- und Treiberanalysen im Kontext des Globalen Wandels
No full textAfrica presently faces multiple escalating challenges. While contributing comparatively little to global climate change, people in Africa already experience its negative impacts. Through increasing temperatures and precipitation events becoming variable to a degree of unpredictability, agricultural productivity and ecosystem services are threatened. This, in turn, puts local livelihoods in jeopardy. Additionally, Africa faces one of the most dynamic population trends globally. Until the end of the century, the population on the continent is projected to surpass three billion people. This population pressure additionally forces agricultural intensification and has the potential to negatively impact governance and security, especially when livelihoods are at risk and competing interests over scarce resources are not mediated. While there are regional differences, much of the agricultural and drinking water needs in Africa are satisfied by surface water, making it one of the most valuable resources. Ongoing global change is affecting surface water resources and the variability of water availability. Parts of Africa are already characterized by long dry seasons, irregular rainfalls, and bad governance. It stands to reason that unmitigated climate change without sustainable development and management schemes in place could have disastrous outcomes that impact billions of people in Africa as well as worldwide. To be effective, adaptation efforts must be based on a solid understanding of what drives surface water and how its availability impacts other societally relevant topics.
Against this backdrop, this dissertation investigates the potential of remote sensing for analyzing trends, patterns, and drivers of African surface water, specifically in the context of global change. It reviews how, based on remote sensing, surface water delineations and the monitoring of surface water dynamics have developed over the last decades, highlighting research hotspots, thematic foci, sensors and methods utilized, and popular analysis-ready products along with their respective strengths and limitations. This review shows an increase in publication numbers up to the year 2020. Most studies concentrate on parts of China and the Asian southeast. Studies mostly rely on either threshold-based methods for surface water delineation or machine learning algorithms. Optical satellite sensors are used far more frequently than other sensor types; specifically, Landsat data is often considered in studies that investigate surface water dynamics. However, a duality between high spatial resolution and low temporal resolution on the one hand and high temporal resolution and low spatial resolution on the other hand exists. Studies that investigate intra-annual surface water dynamics tend to prioritize sensors with high temporal resolution over high spatial resolution. Regarding their thematic focus, over half of the reviewed studies mainly work on typical hydrosphere-oriented topics. About 45% of studies work on biosphere-oriented or anthroposphere-oriented subjects. Such focus topics cover, for example, wetland monitoring or flood and drought assessments, respectively.
Further, this thesis presents a methodology to investigate dynamic similarities and causal drivers of major lakes and reservoirs across the African continent in a multivariate setting that is exclusively based on Earth observation datasets. Characterizing surface water extent and height, the DLR Global WaterPack (GWP) is utilized for the surface water areas along with altimetry-based water level products. Apart from surface water products, meteorological variables, specifically air temperature, dew point temperature, precipitation, potential and total evapotranspiration, and solar irradiation, are included based on ERA5-Land. Characterizing the impact of natural vegetation as well as human intervention through water abstraction for agriculture, FluxSat gross primary productivity (GPP) data is included in the analysis. Subsurface water is accounted for using GLWS2.0 soil moisture and groundwater anomaly estimates. Lastly, time series on the Indian Ocean Dipole and the North Atlantic Oscillation are included, representing large-scale oscillations that may impact surface water dynamics. Based on this set of variables, this study investigates the timeframe from 2003 to 2020. Surface water trends for the entire continent, as well as main dynamic similarities and causal drivers for all major lakes and reservoirs, are presented. It is shown that surface water trends are declining in over half of all African countries. However, most of these declines are not statistically significant. Aggregating surface water to ecoregion levels shows a more dramatic picture. Over a third of African ecoregions face significant decreases in surface water area. Many of these ecoregions are concentrated in the African southeast and Madagascar. Similarly, many of the major lakes and reservoirs in Africa that face significantly decreasing trends are located in the east and southeast of the continent. The driver analysis additionally shows that many lakes and reservoirs are mainly driven by inflowing surface water. The second most important driver often is GPP in agriculturally used areas. Driver impacts are complex; upstream surface water is mostly identified as a positive causal impact, but GPP, especially in agricultural areas, can have positive or negative causal relationships, which seem to depend on local agricultural schemes, phenological cycles, and (in the case of reservoirs) dam management. Findings are interpreted and contextualized using scientific literature investigating potential drivers of individual lakes in Africa.
Showcasing the usefulness of remote sensing on multiple spatial and thematic scales, this thesis further features a case study example that investigates the impact of environmental factors on conflict occurrences in the Lake Chad Basin. Within this study, conflicts are modeled using a random forest regression model trained on socioeconomic and environmental data. The importance of the considered factors is derived from the trained model. This allows for a quantitative assessment of potential conflict drivers, focusing on an objective study setup. In line with the rest of the applied part of the dissertation, the investigated timeframe extends from 2003 to 2020. Environmental factors considered encompass surface water (GWP), meteorological parameters (ERA5-Land), GPP (FluxSat), and soil moisture (via the GSSM1km product). Socioeconomic factors considered span the Subnational Human Development Index, competing ethnic claims for areas within the Lake Chad Basin, population density estimates, and previous conflict occurrences that represent the overall instability of regions within the basin. Findings from this case study suggest that previous conflicts are the most important factor to consider. However, environmental factors, especially trends and anomalies in temperature, evapotranspiration, and precipitation, also play significant parts. Further, results indicate a seasonal variation in the importance of biosphere- and hydrosphere-specific features that aligns well with the main agricultural season. This fits well with the prevailing consensus of previous studies, which largely agree that environmental factors may have a part to play in conflict occurrence but should not be considered the main driver.
By providing continent-wide surface water trends, identifying causal drivers for all major lakes and reservoirs of Africa, and offering quantitative findings and season-specific insights relevant to conflict research in the Lake Chad Basin, this dissertation showcases the potential of Earth observation data on multiple thematic and spatial levels. It adds to the existing works and complements them by addressing key research gaps. At the same time, it also outlines the main challenges encountered and highlights potential for future studies to enhance and expand on the analyses done within this work.Afrika steht gegenwärtig vor zahlreichen, sich verschärfenden Herausforderungen. Obwohl die Bevölkerung Afrikas in vergleichsweise geringem Maße zum globalen Klimawandel beiträgt, bekommt sie dessen negative Auswirkungen bereits verstärkt zu spüren. Temperaturen steigen und Niederschlagsereignisse werden variabler und zunehmend unvorhersehbar, wodurch die landwirtschaftliche Produktivität und Ökosystemleistungen bedroht sind. Dies wiederum gefährdet die Lebensgrundlagen der Menschen vor Ort. Zusätzlich ist Afrika mit einer der dynamischsten Bevölkerungsentwicklungen der Welt konfrontiert. Bis zum Ende des Jahrhunderts wird die Bevölkerung des Kontinents voraussichtlich auf über drei Milliarden Menschen ansteigen. Dieser Bevölkerungsdruck zwingt zu einer verstärkten Intensivierung der Landwirtschaft und birgt zusätzlich das Potential, sich negativ auf die Governance und auf Sicherheitsfragen auszuwirken. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Lebensgrundlage gefährdet ist und konkurrierende Interessen um knappe Ressourcen nicht mediiert werden können. Zwar gibt es regionale Unterschiede, doch insgesamt gesehen wird ein Großteil des Wasserbedarfs der Landwirtschaft und des Trinkwasserbedarfs in Afrika durch Oberflächenwasser gedeckt. Oberflächenwasser ist somit eine der wertvollsten Ressourcen des Kontinents. Der fortschreitende globale Wandel wirkt sich auf die Oberflächenwasserressourcen und die Variabilität der Wasserverfügbarkeit aus. Teile Afrikas sind bereits durch lange Trockenzeiten, unregelmäßige Regenfälle und schlechte Governance gekennzeichnet. Es liegt auf der Hand, dass ein ungebremster Klimawandel ohne nachhaltige Entwicklungs- und Bewirtschaftungspläne katastrophale Folgen haben könnte, die sich auf Milliarden von Menschen in Afrika und weltweit auswirken. Ein solides Verständnis von Oberflächenwassertreibern, Oberflächenwasserverfügbarkeit, sowie deren Auswirkungen auf gesellschaftsrelevante Themen sind eine wichtige Grundlage für wirksame Anpassungsbemühungen.
Vor diesem Hintergrund untersucht diese Dissertation das Potential der Fernerkundung für die Analyse von Trends, Mustern und Treibern des Oberflächenwassers in Afrika, insbesondere im Zusammenhang mit dem globalen Wandel. Es wird zunächst auf globaler Ebene untersucht, wie sich die auf Fernerkundung basierende Erfassung von Oberflächengewässern in den letzten Jahrzehnten entwickelt hat. Dabei werden häufig erforschte Untersuchungsgebiete, thematische Schwerpunkte, eingesetzte Sensoren und verwendete Methodiken herausgearbeitet und die Stärken und Schwächen gängiger analysefertiger Fernerkundungsprodukte gegenübergestellt. Es zeigt sich ein Anstieg der Publikationszahlen bis zum Jahr 2020. Die meisten Studien haben einen geographischen Fokus auf Teile Chinas und den asiatischen Südosten und stützen sich entweder auf schwellwertbasierte Methoden oder auf machine learning Algorithmen zur Erfassung von Oberflächenwasser. Optische Satellitensensoren werden weitaus häufiger verwendet als andere Sensortypen. Bei der Untersuchung von Oberflächenwasserdynamiken wird häufig auf Landsat-Daten zurückgegriffen. In den verfügbaren Fernerkundungsdaten besteht eine Dualität zwischen hoher räumlicher Auflösung und geringer zeitlicher Auflösung einerseits und hoher zeitlicher Auflösung und geringer räumlicher Auflösung andererseits. Studien, die sich mit intra-annuelle Dynamiken des Oberflächenwassers befassen, neigen dazu, eine hohe zeitliche Auflösung gegenüber hoher räumlicher Auflösung vorzuziehen. Der thematische Schwerpunkt liegt bei mehr als die Hälfte der untersuchten Studien auf klassischen hydrosphärenorientierten Themen. Etwa 45% der Studien befasst sich hauptsächlich mit biosphären- oder anthroposphärenorientierten Themen. Solche Schwerpunktthemen fokussieren zum Beispiel das Monitoring von Feuchtgebieten oder Analysen von Überschwemmungen und Dürren.
Des Weiteren wird in dieser Arbeit eine Methodik vorgestellt, mit der auf Basis von Erdbeobachtungsdaten dynamische Ähnlichkeiten und kausale Treiber großer Seen und Stauseen auf dem afrikanischen Kontinent in einem multivariaten Kontext untersucht werden können. Zur Charakterisierung der Oberflächengewässer wird das DLR Global WaterPack (GWP) für eine Flächenabschätzung zusammen mit altimetriebasierten Wasserstandsprodukten für eine Höhenabschätzung verwendet. Neben den Oberflächenwasserprodukten werden zudem meteorologische Variablen auf der Grundlage von ERA5-Land (Lufttemperatur, Taupunkttemperatur, Niederschlag, Potentielle und Totale Evapotranspiration sowie Sonneneinstrahlung) einbezogen. Um Auswirkungen natürlicher Vegetation sowie menschlicher Eingriffe durch Wasserentnahme für die Landwirtschaft auf Afrikas große Seen und Reservoirs zu quantifizieren, werden FluxSat-Daten zur Bruttoprimärprodutivität (GPP) herangezogen. Unterirdisches Wasser wird durch GLWS2.0 Bodenfeuchte- und Grundwasseranomalie-Schätzungen berücksichtigt. Außerdem werden Zeitreihen über den Dipol des Indischen Ozeans und die Nordatlantische Oszillation einbezogen, die großräumige Oszillationen darstellen und die Dynamik des Oberflächenwassers beeinflussen können. Anhand dieser aufgeführten Variablen wird der Zeitraum von 2003 bis 2020 untersucht. Die Ergebnisse in Form von Oberflächenwassertrends für den gesamten afrikanischen Kontinent sowie die wichtigsten dynamische Ähnlichkeiten und kausalen Treiber für alle großen Seen und Stauseen werden vorgestellt. Dabei wird aufgezeigt, dass die Oberflächenwassertrends in über der Hälfte aller afrikanischen Länder rückläufig sind, wobei die meisten dieser Rückgänge jedoch statistisch nicht signifikant sind. Auf Ökoregionsebene betrachtet, zeigt sich, dass in mehr als einem Drittel der afrikanischen Ökoregionen ein signifikanter Rückgang der Oberflächenwasserfläche zu verzeichnen ist. Betroffen sind hierbei vor allem Ökoregionen im Südosten Afrikas und in Madagaskar. Auch im Hinblick auf große Seen und Stauseen in Afrika ist eine signifikante Abnahme der Oberflächenwasserfläche insbesondere im Osten und Südosten des Kontinents zu verzeichnen. Die Treiber-Analyse zeigt, dass viele Seen und Stauseen hauptsächlich durch den Zufluss von Oberflächenwasser beeinflusst werden. Der zweitwichtigste Treiber ist in landwirtschaftlich genutzten Gebieten oft die GPP. Die Auswirkungen der Treiber sind komplex. Während das Oberflächenwasser im Oberlauf meist als positiver kausaler Treiber identifiziert wird, kann die GPP hingegen, insbesondere in landwirtschaftlich genutzten Gebieten, positive oder negative kausale Beziehungen aufweisen. Die Wirkungsrichtung der GPP scheint dabei von lokalen landwirtschaftlichen Formen, phänologischen Zyklen und (im Falle von Stauseen) vom Staudammmanagement abzuhängen. Die Ergebnisse werden interpretiert und in den Kontext bisheriger Forschung gestellt, die sich mit den potentiellen Einflussfaktoren einzelner Seen in Afrika befasst.
Um die Nützlichkeit der Fernerkundung auf verschiedenen räumlichen und thematischen Ebenen zu verdeutlichen, wird in dieser Arbeit außerdem eine Fallstudie vorgestellt, in der die Auswirkungen von Umweltfaktoren auf das Auftreten von Konflikten im Tschadsee-Becken untersucht werden. In dieser Studie werden Konflikte mit Hilfe eines Random-Forest-Regressionsmodells modelliert, das mit sozioökonomischen und Umweltdaten trainiert wurde. Die Wichtigkeit der berücksichtigten Faktoren wird aus dem trainierten Modell abgeleitet. Dies ermöglicht eine quantitative Bewertung potentieller Konfliktfaktoren, die auf einem möglichst objektiven Studienaufbau basiert. Wie in den anderen Kapiteln des angewandten Teils der Dissertation erstreckt sich der untersuchte Zeitrahmen von 2003 bis 2020. Die berücksichtigten Umweltfaktoren umfassen Oberflächenwasser (GWP), meteorologische Parameter (ERA5-Land), GPP (FluxSat) und Bodenfeuchtigkeit (über das GSSM1km Produkt). Die einbezogenen sozioökonomischen Faktoren umfassen den Subnational Human Development Index, konkurrierende ethnische Ansprüche auf Gebiete innerhalb des Tschadseebeckens und Schätzwerte zur Bevölkerungsdichte. Darüber hinaus werden vorhergehende Konflikte als Maß für die allgemeine Instabilität der Regionen innerhalb des Beckens berücksichtigt. Die Ergebnisse dieser Fallstudie legen nahe, dass vorhergehende Konflikte der wichtigste Faktor sind, den es für die Abschätzung zukünftiger Konflikte zu berücksichtigen gilt.
Aber auch Umweltfaktoren, insbesondere Trends und Anomalien der Temperatur, der Evapotranspiration und des Niederschlags, spielen eine wichtige Rolle. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse auf eine Saisonalität in der Wichtigkeit von biosphären- und hydrosphärenspezifischen Merkmalen hin, die synchron zur landwirtschaftlichen Hauptsaison ist. Dies deckt sich mit dem vorherrschenden Konsens bisheriger Studien, dass Umweltfaktoren zwar eine Rolle bei der Entstehung von Konflikten spielen, aber nicht als Hauptursache angesehen werden sollten.
Zusammengefasst zeigt diese Dissertation das Potential von Erdbeobachtungsdaten auf mehreren thematischen und räumlichen Ebenen auf. Sie ermittelt auf kontinentaler Ebene Oberflächenwassertrends, identifiziert kausale Treiber für alle großen Seen und Stauseen Afrikas und erarbeitet quantitative Ergebnisse zur Wichtigkeit verschiedener Umweltfaktoren, die für die Konfliktforschung im Tschadseebecken relevant sind. Sie trägt damit zum aktuellen Stand der Forschung bei und ergänzt ihn, indem sie die wichtigsten Forschungslücken bearbeitet. Sie spricht jedoch auch wichtige Herausforderungen an, die Gegenstand zukünftiger Forschung sind und hebt das Potential zukünftiger Studien hervor, auf dieser Arbeit aufzubauen und die durchgeführten Analysen zu verbessern und zu erweitern.L'Afrique est actuellement confrontée à de multiples défis de plus en plus importants. Bien que leur contribution au changement climatique mondial soit relativement faible, les populations africaines en subissent déjà les effets négatifs. La productivité agricole et les services écosystémiques sont menacés par l'augmentation des températures et la variabilité des précipitations, qui deviennent imprévisibles. Cela met en péril les moyens de subsistance des populations locales. En outre, l'Afrique est confrontée à l'une des tendances démographiques les plus dynamiques au monde. D'ici la fin du siècle, la population du continent devrait dépasser les trois milliards d'habitants. Cette pression démographique oblige entre autres à l'intensification de l'agriculture et peut avoir un impact négatif sur les questions de gestion et de sécurité liées au ressources. Cela en particulier lorsque les moyens de subsistance sont menacés et que les divergences d’intérêts sur des ressources rares ne sont pas arbitrées. Bien qu'il existe des différences régionales, la plupart des besoins en eau potable et agricole de l'Afrique sont satisfaits par les réserves d’eaux de surface, ce qui en fait l'une des ressources les plus précieuses. Le changement global en cours affecte les ressources en eau de surface et la variabilité de sa disponibilité. Certaines parties de l'Afrique sont déjà affectées par de longues saisons sèches, des précipitations irrégulières et une mauvaise gestion des ressources aquifères. Il va de soi qu'un changement climatique non atténué, sans développement durable ni plans de gestion en place, pourrait entraîner des conséquences désastreuses sur des milliards de personnes en Afrique et dans le monde entier. Pour être efficaces, les efforts d'adaptation des modes de gestion doivent s'appuyer sur une solide compréhension des facteurs qui déterminent les ressources en eaux de surface et de la manière dont leur disponibilité influe sur d'autres sujets sociétaux importants.
Dans ce contexte, cette thèse étudie le potentiel de la télédétection pour analyser les tendances, les modèles et les facteurs déterminants les ressources en eau de surface en Afrique, en particulier dans le contexte du changement climatique. Cette thèse présente comment, á travers l’utilisation de la télédétection, les connaissances sur la détection des eaux de surface et le suivi de leurs dynamiques se sont développées au cours des dernières décennies. Cela est fait en mettant en évidence développement les plus proéminents dans ce domaine de recherche, les centres d'intérêt thématiques, les capteurs et les méthodes utilisés, les données les plus courantes, ainsi que leurs forces et leurs limites respectives. Par le biais d’une revue de littérature sur le sujet, une augmentation du nombre de publications jusqu'en 2020 a été identifiée. La plupart des études se concentrent sur des parties de la Chine et de l’Asie du Sud-Est. Les études s'appuient principalement sur des méthodes basées sur des seuils pour la délimitation des eaux de surface ou sur des algorithmes d'apprentissage automatique. Les capteurs satellites optiques sont utilisés beaucoup plus fréquemment que les autres types de capteurs ; en particulier, les données satellitaires Landsat sont souvent prises en compte dans les études portant sur la dynamique des eaux de surface. Par ailleurs, il existe une dualité entre, d'une part, la haute résolution spatiale et la faible résolution temporelle et, d'autre part, la haute résolution temporelle et la faible résolution spatiale. Les études portant sur la dynamique intra-annuelle des eaux de surface tendent à privilégier les capteurs à haute résolution temporelle par rapport à ceux à haute résolution spatiale. En ce qui concerne l'orientation thématique, plus de la moitié des études examinées travaillent principalement sur des sujets typiques de l'hydrosphère. Environ 45% des études portent sur des sujets axés sur la biosphère ou l'anthroposphère. Ces sujet
Fabrication and analysis of optoelectronic interband cascade devices and their components for gas sensing systems in the mid-infrared
No full textAufgrund der industriellen und umwelttechnischen Relevanz gassensorischer Verfahren
zur Messung verschiedener Gase im mittleren Infrarot spielt das Zusammenwirken verschiedener optoelektronischer Bauelemente von Lichtquellen bis hin zu Detektoren eine grundlegende Bedeutung zur Bildung von Gesamtsystemen. Im mittleren infraroten Wellenlängenbereich setzen sich ab 3µm bis ca. 5µm für Lichtquellen und im Wellenlängenbereich ab ca. 2,5µm bis über 10µm für Detektoren vermehrt optoelektronische Bauelemente auf Basis des Interbandkaskadenansatzes zur Verwendung in solchen Systemen durch. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene Aspekte der einzelnen Interbandkaskaden-Bauelemente aufgegriffen, um noch vorhandene Schwachstellen der Bauteile zu analysieren und wo möglich zu überwinden.
Zunächst wurde für Interbandkaskadenlaser ein Design für Wellenlängen im Bereich von 6µm entwickelt, um für gassensorische Anwendungen auch einen höheren Wellenlängenbereich zukünftig möglich zu machen, wie beispielsweise für die Messung von Stickoxiden.
Dazu wurde zunächst das Wellenleiterdesign auf Basis bestehender Strukturen mit kürzerer Emissionswellenlänge optimiert, um Verluste durch das größere Modenvolumen bei höheren Wellenlängen zu reduzieren. Hierfür wurden die Seperate-Confinement-Layer auf eine Dicke von jeweils 600nm angepasst, um einen größeren Überlapp der optischen Mode mit dem verlustarmen GaSb-Volumen-Material der SCLs und der aktiven Zone zu erzielen und den Überlapp mit dem hochdotierten Übergitter des Wellenleiters zu minimieren. Zusätzlich wurde die Gesamtdicke des InAs/AlSb Übergitters des unteren Wellenleiters auf 2365nm im Vergleich zu kurzwelligeren Designs erhöht um Reflexionen der optischen Mode im Substrat zu verhindern. Anschließend an das Wellenleiterdesign wurde die aktive Zone für eine Wellenlänge von 6µm neu aufgebaut und in einem ersten Optimierungsschritt die Anzahl der InAs/AlSb Elektroninjektorquantenfilmpaare in einer Dreierserie von vier über drei zu zwei reduziert. Hierbei wurde bei einer Quantenfilmanzahl von zwei eine Schwellstromdiche von mit einer Einsatzspannung für einen durchgeätzten Breitstreifenlaser mit einer Dicke von 100µm und einer Länge von 2,4mm und somit zum Wachstumszeitpunkt auf GaSb-Basis die geringste Schwellstromdichte bei 6µm erzielt. Damit liegen die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse nur noch knapp oberhalb des kurzwelligeren Arbeitsbereichs und zeigen deutlich, dass durch weitere Optimierungsschritte durchaus Potential zur weiteren Leistungserweiterung besteht und somit der Sweet-Spot der ICLs auch auf GaSb-Basis zu höheren Wellenlängen hin erweitert werden kann. Die in dieser Arbeit erzielte charakteristische Temperatur von 52K weist zusätzlich auf eine sehr gute Temperaturstabilität der GaSb-basierten ICLs im Vergleich zu InAs-basierten ICLs bei gleicher Wellenlänge hin. Die anschließenden Messungen an DFB Laserstegen auf dem gleichen epitaktischen Material zeigen im cw-Betrieb monomodige Emission bis -20 °C. Es konnte ein breiter Einstellbereich von 0,11nm/mA und 0,14nm/mA für Laser mit 2,4mm oder 1,8mm Länge und 16µm Breite mit einer Temperaturstabilität von 0,55nm/K gezeigt werden. Eine zukünftige Optimierung der Spannungsabfälle unter anderem an der semimetallischen Grenzfläche kann hier das cw-Verhalten weiter verbessern.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Augenmerk auf den Ersatz konventioneller DBR Spiegel für optische Resonatoren für die Verwendung in breitbandigen Lichtquellen wie Interbandkaskaden-LEDs gelegt, da nicht alle gassensorische Anwendungen im mittleren Infrarot kostenintensive, monochromatische Lichtquellen benötigen. Hierbei wurde der Ansatz von monolithischen Hochkontrastgittern in das GaSb-Materialsystem überführt, um bei optischen Resonatoren im mittleren Infrarot den oberen DBR durch eine kostengünstigere und in der Herstellung einfachere und flexiblere Alternative zu ersetzen. Hierbei wurde in eine einfache epitaktische Struktur bestehend aus 452nm gitterangepasstem AlAsSb und 764nm GaSb verschiedene Gitter mit einer Periodenlänge von 2,6µm und unterschiedlichen Stegbreiten von 220-984nm 532nm tief geätzt und deren Reflexionsverhalten, generiert aus Transmissionsmessungen, analysiert. Die Reflexionsspektren zeigen deutlich breitbandige Bereiche hoher Reflexion. Die Variation der Stegbreiten zeigt bereits sehr große Flexibiliät im resultierenden Reflexionsverhalten und indiziert somit kombiniert mit der einstellbaren Ätztiefe ein hohes Maß an Flexibilität in Prozessschritten, die dem Wachstum nachgelagert sind. Maximale Reflektivitäten von 0,92 für unpolarisiertes Licht, eingestrahlt über die Rückseite der Probe und somit auf die Probenseite der Gitter, wurden für ein Gitter mit einer Stegbreite von 785nm bei einer Wellenlänge von 4µm erzielt. Darüber hinaus wurden polarisationsabhängige Transmissionsmessungen in 15 °-Schritten von TE zu TM Polarisation durchgeführt, die zeigen, dass eine klare Polarisationsselektion der Gitter besteht. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass MHCGs für breitbandige Lichtquellen wie beispielsweise IC-LEDs ein kostengünstiger Ersatz des oberen DBRs darstellen, da sie eine hohe Flexibilität nach dem Wachstum und deutlich geringere Schichtdicken als DBRs aufweisen.
Nachdem sich die vorherigen Teile dieser Arbeit mit lichtemittierenden Bauelementen und deren Aufbau beschäftigt haben, wurde im letzten Teil der Arbeit der Fokus auf lichtdetektierende Interbandkaskadendetektoren mit InAs/GaSb Typ-II- Übergitter Absorbern gelegt, da ein gassensorisches Gesamtsystem vor allem im portablen Bereich auch die Detektion von Photonen bei Raumtemperatur effzient gewährleisten muss. Hierbei wurden aufgrund der Neuartigkeit der Bauteile grundlegende Untersuchungen und Optimierungspotentiale betrachtet. Erste optische Untersuchungen an Proben mit unterschiedlicher Kaskadenanzahl von 1, 3, 5, 7 und 9 bei gleichbleibendem Kaskadenaufbau zeigen, dass die Empfindlichkeit von Detektoren mit 200µm Durchmesser mit zunehmender Kaskadenanzahl bei leistungsabhängigen Photostrommessungen bei 2330nm eine Abnahme von 0,42A/W bei einer Kaskade zu 0,12A/W bei neun Kaskaden zeigen. Bei wellenlängenabhängigen Photostrommessungen ist ein Einbruch des Photostroms bei Absorptionslinien erkennbar, was bereits die Möglichkeit für den Einsatz in gassensorischen Anwendungen zeigt. Die Auswertung der durch thermisches Rauschen limitierten spezifischen Detektivität mithilfe des durch Dunkelstrommessungen ausgewerteten differentiellen Widerstandes bei U=0 V zeigt im Gegensatz zur Empfindlichkeit ein Maximum bei 3 und 5 Kaskaden von bzw. , was durch den gegenläufigen Trend des steigenden differentiellen Widerstands bei höheren Kaskadenanzahlen verursacht wird. Dies zeigt allerdings auch, dass wie vorhergesagt, das thermische Rauschen mit zunehmender Kaskadenanzahl sinkt.
Nachfolgend wurde der Absorptionskoeffzient des verwendeten InAs/GaSb bei gleichbleibender InAs-Quantenfilmdiche von 2,12nm über die Veränderung der Dicke der GaSb-Quantenfilme von 2,44nm auf 2,04nm optimiert und in Detektoren mit 5 Kaskaden gewachsen. Dadurch konnte die Empfindlichkeit von Detektoren mit 200µm Durchmesser bei 2330nm von 0,164A/W auf 0,248A/W erhöht werden. Durch die gleichzeitige Erhöhung von von auf ist die spezifische Detektivität unverändert geblieben. Dies zeigt den starken Zusammenhang zwischen elektronischen und optischen Eigenschaften und dem benötigten Kompromiss zwischen hoher Sensitivität und hoher Detektivität. Untersuchungen an Loch- und Elektronenextraktor zeigen, dass durch eine Dotierung des Elektronenextraktors die spezifische Detektivität von Detektoren mit 200µm Durchmesser und 3 Kaskaden von auf erhöht werden kann. Durch Bestimmung der Aktivierungsenergie mithilfe von temperaturabhängigen Dunkelstrommessungen wurde erkannt, dass die verwendete Passivierung aufgrund vorhandener Randkanalströme ein weiteres Optimierungspotential der bestehenden Strukturen darstellt. Die in dieser Arbeit untersuchten Detektoren weisen den Weg in Richtung effizienter Photodetektoren im mittleren Infrarot für einen möglichen Einsatz in gassensorischen Gesamtsystemen.
Im Rahmen der Arbeit konnten ausgehend von der Erweiterung von GaSb-basierten ICLs auf den Wellenlängenbereich von 6µm über die experimentelle Realisierung von breitbandigen MHC-Gittern zur Verwendung in Interbandkaskaden-LEDs bis hin zu fundamentalen Untersuchungen an Interbandkaskadendetektoren Erweiterungen und Optimierungspotentiale von Interbandkaskaden-Strukturen für den gassensorischen Einsatz erforscht werden, um diese Systeme zukünftig noch effizienter, flexibler und kostengünstiger gestalten zu können.Due to the industrial and environmental relevance of gas sensoric methods for measuring different gases in the mid-infrared, the interaction of different optoelectronic components from light sources to detectors plays an essential role in the formation of complete systems. In the mid-infrared, in the wavelength range from 3µm to approx. 5µm for light sources and in the wavelength range from approx. 2.5µm for detectors, optoelectronic components based on the interband cascade approach are increasingly used in such systems. Therefore, the various aspects of the different interband cascade devices were taken up in order to analyze and partially overcome the remaining weak points of the components within this thesis.
First a interband cascade laser for emission at 6µm was designed to increase the wavelength range for future applications, like detection of nitrogen oxides. Therefore the wave guide desigend for emission at shorter wavelength was optimized to reduce losses based on the higher optical mode volume at higher wavelengths. The seperate confinement layers were increased to 600nm thickness to increase the overlap of the optical mode with the low-loss GaSb bulk material of the seperate confinement layer and the active region and to minimze the overlap with the high-doped InAs/AlSb superlattice of the cladding layers. Additionally, the overall thickness of the lower cladding was increased to 2365nm compared to the shorter wavelength design to impede reflection of the optical mode in the substrate. Afterwards the active region for an emission wavelength of 6µm was developed and in a first optimization step, the number of InAs/AlSb quantumwell pairs was reduced from 4 via 3 to 2. In this context, a threshold current density of with for a deeply etched broad-area laser with a length of 2.4mm and 100µm width could be realized, resulting in the lowest theshold current density for ICLs at 6µm at the time of growth. For this, the results achieved in this thesis are nearly to the short wavelength performance region of ICLs and cleary demonstrate the potential of increase the sweet spot performance region of ICLs on GaSb towards longer wavelengths. The achieved characteristic temperatures of 52K show high temperature stability of GaSb-based ICLs compared to InAs-based at the same wavelength. The subsequent measurements with DFB Laserridges with the same epitaxial material show cw-performance with monomode emission up to -20°C. A Tuning range from 0.11nm/mA und 0.14nm/mA with lasers with 2.4mm and 1.8mm length and 16µm width with temperature stability of 0.55nm/K are demonstrated. Future optimizations of the voltage drops especially at the semi-metallic interface can probably improve the cw behaviour.
In the second part of this thesis alternatives to conventional DBR mirrors for optical cavities for the use in broadband light sources like IC-LEDs were focused, since cost-intense, monochromatic light sources are not needed for every gas sensoric application. Therefore, the monolithic high contrast grating approach was transfered to the GaSb material system to probably substitute the upper DBR in future optical resonators in the MIR with a more cost-efficient and in case of production a easier and more flexible alternative. For this, various lattices with a fixed period of 2.6µm and different ridge widths of 220 - 984nm were etched to the depth of 532nm into the surface of a simple epitaxial structure consisting of 452nm lattice-matched AlAsSb and 764nm GaSb and afterwards their reflection behavior generated from transmission measurements was analyzed. The reflection spectra clearly show high reflection over a broad wavelength range. The variation of ridge widths show high flexibility in terms of reflection behaviour and indicates, combined with the free parameter of ething depth, high flexibility for post-growth process steps. Maximum reflectivity for unpolarized light from the backside of the sample was achieved with a grating with 785nm ridges at 4µm wavelength. Additionally clear polarization selection of the gratings in reflection was demonstrated based on polarization dependent transmission measurements in steps of 15° from TE to TM polarized light. Overall, the results show that MHCGs are a cost-effective alternative to replace the upper DBR for broadband light sources such as IC-LEDs, as they exhibit high post-growth flexibility and significantly shorter layer thicknesses than DBRs.
After light emitting devices and their strucutre were discussed in the previous parts of this thesis, the last part is focused on light detecting interband cascade detectors with InAs/GaSb type II absorbers, to complete gassensoric overall systems for e.g. portable applications at room temperature with efficient devices for photon detection. Due to the novelty of the components, fundamental investigations and optimization potentials were considered. First optical analysis of samples with different number of cascades of 1, 3, 5, 7 and 9 with equal structure of each cascade show decreasing sensitivity of diodes with 200µm diameter of 0.42A/W with one cascade to 0.12A/W with nine cascades at 2330nm wavelength generated from power dependent photoresponse measurements. Within wavelength dependent photoresponse measurements the decrease in photocurrent at absorptionline wavelengths show the possibility of use in gassensoric applications. The Johnson noise limited specific detectivity generated with dark current differential resistance shows a maximum at 3 and 5 cascades of and , based on the increasing differential resistance with increasing number of cascades. This also show the predicted reduction of thermal noise with increasing number of cascades.Afterwards the absorption coeffcient of the InAs/GaSb superlattice of the absorber was optimized with decreasing the GaSb quantumwell thickness from 2.44nm to 2.04nm with fixed InAs quantum well thickness of 2.12nm. This superlattice design was grown into detectors with 5 cascades. The sensitvity for detectors with 200µm diameter could be improved from 0.164A/W to 0.248A/W at 2330nm wavelength. With the simultaneaus decrease of from to , the Johnson limited speciffc detectivity was equal to the reference sample. This shows the strong connection between optical and electronic characteristics of ICDs and the needed compromise between high sensitivity and high detectivity. Investigations on the hole and electron extractor show that by doping the electron extractor, the specific detectivity of detectors with a diameter of 200µm and 3 cascades can be increased from to . By determining the activation energy using temperature-dependent dark current measurements, it was recognized that the passivation used in the present structures include further potential for optimization of the existing structures due to existing surface leakage currents. The detectors discussed in this thesis point the way towards effcient photodetectors in the mid-infrared for possible use in gas detecting systems.
Within this thesis the optimization potential of interband cascade structures for future creation of cost-effcient, flexible and efficient gasdetecting systems was demonstrated starting with the extension of the emission wavelength range of GaSb-based ICLs to 6µm, via experimental realization of MHC-gratings for usage in IC-LEDs towards fundamental analysis of interband cascade detectors
Stetige Deformation differenzierbarer Ebenen
No full textContents
1 Introduction 2
2 Preliminaries 5
2.1 Grassmannian Bundles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 An Introduction to Grassmannian Manifolds . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Grassmannian Bundles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Jet manifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.2 Jets as a Generalization of Tangent Vectors . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Whitney Topologies and the Space of Submanifolds . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 Some Continuous Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3.3 Notable Open Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.4 The Space of Submanifolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Differentiable Planes 42
3.1 Differentiable Projective Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 Differentiable Generalized Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Regularity and the Characteristic Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Flag Spaces as Level Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.5 Segre Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Local Deformation of Di erentiable Planes 81
4.1 Differentiable Ternary Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Continuous Local Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 Non-Regular Projective Planes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.4 Constructing Non-Regular Smooth Projective Planes . . . . . . . . . . . . 101
5 Openness of the Set of Regular Projective Planes 109not availabl
Entwicklung eines 3D-Zellkulturmodells für Brusttumorzellen nach Ausstreuung ins Gehirn
No full textOver the last decade, advanced biofabrication technologies became one of the most powerful tools to replicate complex human tissues. Unlike traditional two-dimensional (2D) cell cultures, three-dimensional (3D) technologies offer significant advantages for cancer research. Integrating advanced 3D bioprinting and biomaterials enables recapitulation of the tumor microenvironments by embedding cells within a custom-tailored bioink. Our aim was to develop a 3D hydrogel-based cell culture disease model that reflects characteristics of native brain extracellular matrix (ECM) in order to investigate the progression of breast-to-brain metastatic tumor cells. Since the brain is one of the softest tissues in our body, developing ultra soft matrices causes physical and biological challenges. To address this, melt-electrowriting (MEW) technology was used to fabricate microfiber scaffolds, enabling a reinforcement of the matrices to allow an easy handling of the 3D composites. The developed 3D hydrogel model consists of hyaluronic acid (HA), a major glycosaminoglycan (GAG) highly expressed in the brain.
The first part of this thesis investigates how matrix stiffness and ECM components affect the survival and morphology of both primary and secondary brain tumors in our developed 3D cell culture model. In the developed model, thiolated hyaluronic acid (HA-SH) was used, enabling crosslinking through its thiol (-SH) groups. Both breast tumor and glioblastoma cells formed spheroid-like aggregates on soft and stiff hydrogels, regardless of the scaffold geometry. However, the addition of ECM components to HA-SH, as well as co-culturing breast tumor cells with primary neurons and astrocytes in HA-SH without ECM components, effectively reduced spheroid-like formation. This reduction is likely attributed to enhanced cell-matrix and cell-cell interaction, suggesting a more physiologically relevant microenvironment.
In the second part of this thesis, cell–cell and cell–matrix interactions were examined in detail by co-culturing breast tumor cells with primary neurons and astrocytes in ultra-soft 3D HA-SH, both with and without ECM components. The incorporation of ECM components into HA-SH enhanced functional interactions such as GluA2, vGlut1, Cx43 expression, and calcium (Ca²⁺) transients activity between metastatic triple-negative breast cancer (TNBC) cells and neuronal cells. In contrast, brain-derived Luminal B/HER2-positive subtypes exhibited more pronounced physical contact with neuronal cells in the absence of ECM components. This model effectively demonstrates how distinct breast cancer subtypes adapt to and interact differently within a brain-like microenvironment.
In the final part of the thesis, a 3D cell culture model was utilized to investigate the pathophysiology of murine glioblastoma, a primary brain tumor. The tumor microenvironment was effectively mimicked using 3D HA-SH/laminin composite hydrogels, reinforced with 3D printed MEW scaffolds. Glioblastoma cells exhibited functional interactions with primary neurons and astrocytes through GluA2 and Cx43 expression. Furthermore, calcium Ca2+ imaging revealed that the presence of tumor cells induced a hyperexcitable neuronal phenotype, which correlates with neurological symptoms observed in glioblastoma patients.
Overall, this 3D hydrogel-based cell culture platform enables us to investigate both primary and secondary brain tumor progression in physiological and biologically relevant surroundings.In den letzten zehn Jahren haben sich fortschrittliche Biofabrikationstechnologien zu einem der leistungsstärksten Werkzeuge entwickelt, um komplexe menschliche Gewebe nachzubilden. Im Gegensatz zu herkömmlichen zweidimensionalen (2D) Zellkulturen bieten dreidimensionale (3D) Technologien bedeutende Vorteile für die Krebsforschung. Die Integration von fortschrittlichen 3D-Bioprintings und Biomaterialien ermöglicht die Nachbildung der Tumormikroumgebung durch die Einbettung von Zellen in eine maßgeschneiderte Bio-Tinte. Unser Ziel war es, ein 3D-Hydrogel-basiertes Zellkultur-Krankheitsmodell zu entwickeln, das die Eigenschaften der nativen extrazellulären Matrix (ECM) des Gehirns widerspiegelt, um die Progression von Brustkrebszellen, die ins Gehirn metastasieren, zu untersuchen. Da das Gehirn eines der weichsten Gewebe unseres Körpers ist, stellt die Entwicklung ultrasofter Matrizen physikalische und biologische Herausforderungen dar. Um diese zu adressieren, wurde die Melt-Electrowriting (MEW)-Technologie verwendet, um Mikrofasergerüste herzustellen, die die Matrizes verstärken und eine einfache Handhabung der 3D-Verbundstoffe ermöglichen. Das entwickelte 3D-Hydrogelmodell besteht aus Hyaluronsäure (HA), einem wichtigen Glykosaminoglykan (GAG), das im Gehirn stark exprimiert wird.
Der erste Teil dieser Arbeit untersucht, wie die Härte der Matrix und Komponenten der ECM das Überleben und die Morphologie sowohl primärer als auch sekundärer Hirntumoren in unserem entwickelten 3D-Zellkulturmodell beeinflussen. Im entwickelten Modell wurde thiolierte Hyaluronsäure (HA-SH) verwendet, die eine Vernetzung über ihre Thiol- (-SH) Gruppen ermöglicht. Sowohl Brusttumor- als auch Glioblastomzellen bildeten sphäroid-artige Aggregate in weichen und festen Hydrogelen, unabhängig von der Gerüstgeometrie. Die Zugabe von ECM-Komponenten zu HA-SH sowie die Kokultur von Brusttumorzellen mit primären Neuronen und Astrozyten in HA-SH ohne ECM-Komponenten führten jedoch zu einer deutlichen Reduktion der sphäroidartigen Strukturen. Diese Reduktion ist wahrscheinlich auf verstärkte Zell-Matrix- und Zell-Zell-Interaktionen zurückzuführen, was auf eine physiologisch relevantere Mikroumgebung hinweist.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Zell-Zell- und Zell-Matrix-Interaktionen im Detail untersucht, indem Brusttumorzellen mit primären Neuronen und Astrozyten in ultraweich 3D-HA-SH sowohl mit als auch ohne ECM-Komponenten kokultiviert wurden. Die Einbindung von ECM-Komponenten in HA-SH verstärkte funktionelle Interaktionen – wie die Expression von GluA2, vGlut1 und Cx43 sowie die Aktivität der Calcium (Ca²⁺) Transienten zwischen metastatischen dreifach-negativen Brustkrebszellen (TNBC) und neuronalen Zellen. Im Gegensatz dazu zeigten vom Gehirn abgeleitete Luminal-B/HER2-positive Subtypen einen ausgeprägteren physischen Kontakt zu neuronalen Zellen in Abwesenheit von ECM-Komponenten. Dieses Modell zeigte eindrucksvoll, wie sich verschiedene Brustkrebs-Subtypen an eine gehirnähnliche Mikroumgebung anpassen und unterschiedlich mit ihr interagieren.
Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein 3D-Zellkulturmodell verwendet, um die Pathophysiologie des murinen Glioblastoms, eines primären Hirntumors, zu untersuchen. Die Tumormikroumgebung wurde dabei effektiv durch 3D-HA-SH/Laminin-Komposit Hydrogele nachgebildet, die mit 3D-gedruckten MEW-Gerüsten verstärkt wurden. Glioblastom Zellen zeigten funktionelle Interaktionen mit primären Neuronen und Astrozyten, gekennzeichnet durch die Expression von GluA2 und Cx43. Darüber hinaus zeigte die Ca²⁺ Bildgebung, dass das Vorhandensein von Tumorzellen einen hypererregbaren neuronalen Phänotyp induzierte, was mit den neurologischen Symptomen von Glioblastom-Patienten übereinstimmt.
Insgesamt ermöglicht diese reproduzierbare, auf Hydrogelen basierende 3D-Zellkulturplattform die Untersuchung des Fortschreitens sowohl primärer als auch sekundärer Hirntumoren in einer physiologisch und biologisch relevanten Umgebung
Artengemeinschaften entlang eines Wiederbewaldungsgradienten in den Tropen mit einem Fokus auf Totholz
No full textTropical forests are among the most biodiverse and functionally important ecosystems on Earth, playing a crucial role in global biogeochemical cycles, especially carbon and water regulation. However, large portions of these forests have been degraded due to deforestation, land conversion, and unsustainable management, particularly in Latin America. In response, ecological restoration and natural regeneration are increasingly promoted as cost-effective strategies to recover biodiversity and ecosystem functions. Despite this, our understanding of the structural and functional recovery of tropical forests across different land-use legacies remains limited, especially regarding the role of deadwood, ecosystem service dynamics, and biodiversity indicators at the landscape scale. Deadwood and its associated communities of insects and fungi play a central role in these processes, yet the impacts of forest degradation and recovery on these organisms remain poorly understood.
As part of the DFG-Research Unit "Reassembly", this thesis investigates how the recovery of tropical forests affects deadwood quantity, diversity, and its associated communities of saproxylic beetles and fungi, as well as the composition of birds. The study design is embedded the Chocó across a tropical forest recovery gradient in the lowland forest of Ecuador, a global biodiversity hotspot undergoing rapid land-use change. By integrating measures of biodiversity, community composition, and interaction networks across taxonomic groups, this thesis provides new insights into the recovery trajectories particularly of saproxylic communities.
Chapter I provides the conceptual groundwork for this dissertation by examining the ecological consequences of tropical forest degradation and the potential of natural regeneration as a pathway for biodiversity and ecosystem recovery. It contextualizes the study within the critically threatened Chocó rainforest of Ecuador, highlighting the potential long-lasting effects of land-use legacies on biodiversity across multiple taxonomic and functional groups. The chapter emphasizes the importance of structural elements such as deadwood and explores how saproxylic beetles, wood-inhabiting fungi and birds can serve as key indicators for the recovery of the communities. Together, these components frame the central questions and objectives of the dissertation, offering a multidisciplinary lens to improve our understanding of the resilience of tropical ecosystems in regenerating landscapes.
Chapter II focuses on deadwood, a key substrate for saproxylic organisms and carbon dynamics. I quantified the amount and diversity of coarse (≥7 cm diameter) and fine (<7 cm) woody debris in 62 plots along a chronosequence of forest recovery from agriculture to old-growth. Contrary to expectations, deadwood volume did not consistently increase with recovery time, but diversity in size, decay stage, and wood type showed a positive trend. Fine woody debris increased, especially in former pastures, highlighting differences in legacy effects of land-use history. These findings suggest that recovering forests can harbor a diverse array of deadwood types, potentially supporting saproxylic biodiversity and contributing to carbon storage beyond old-growth forests
Chapter III examines the diversity and assembly processes of wood-inhabiting fungi colonizing standardized logs along the same forest recovery gradient. Using DNA metabarcoding, I analyzed fungal communities in logs of five tree species exposed experimentally in all plots. Fungal diversity per plot increased with forest age, especially among rare taxa, but decreased again in old-growth forests, revealing a hump-shaped pattern. This suggests that mid-successional stages may offer optimal conditions for fungal diversity due to a combination of sufficient resource availability and habitat heterogeneity but still limited competition.
In terms of community assembly, fungal species became increasingly aggregated in older forests, and spatial factors began to outweigh host-tree identity in shaping community composition. Despite the high dispersal potential of fungal spores, these results indicate that wood-inhabiting fungi in secondary forest after almost four decades have not yet reached the assembly patterns typical for old-growth forests. This chapter emphasizes the ecological value of mid-successional forests and the need to consider spatial structuring in fungal biodiversity assessments.
In Chapter IV, I examine how saproxylic beetle diversity and host-tree interaction networks respond to forest recovery. Standardized logs from five tree species of varying wood density were placed across 62 plots in four recovery stages. Beetle emergence after six months revealed increasing abundance, species richness, and network γ-diversity with forest recovery. Surprisingly, interaction network specialization was higher in agricultural and late-regeneration plots, suggesting that community restructuring may follow nonlinear trajectories.
Logs from low-density trees supported fewer individual beetles but exhibited higher γ-diversity, particularly among rare species. This highlights how resource traits interact with successional dynamics to shape community assembly and ecological interactions. Overall, this chapter provides strong evidence that saproxylic beetle communities are sensitive to forest recovery and that their interaction networks can re-establish relatively rapidly under favorable conditions.
Finally, Chapter V explores avian biodiversity as an indicator of ecological integrity across the same forest recovery gradient. Using passive acoustic monitoring and ecological niche metrics, I studied 323 bird species across 66 plots, representing a gradient from active agriculture to old-growth forest. The analysis showed that birds in agricultural areas had broader niche breadths, larger geographic ranges, and traits related to mobility, while forest-specialist birds exhibited narrower niches and lower mobility.
These findings demonstrate that niche-based metrics offer valuable tools for rapid biodiversity assessment and conservation planning. While this chapter differs in focus from the others, it complements the broader ecological narrative by offering a landscape-scale view of biodiversity recovery. It also demonstrates that recovery patterns can be inferred from functional traits and niche metrics, which are particularly relevant for conservation monitoring.
Overall, this dissertation highlights the critical role of deadwood and its associated biota in supporting biodiversity and ecosystem functions in recovering tropical forests. While saproxylic beetle communities show rapid responses to changes in deadwood diversity, fungi exhibit more complex assembly processes influenced by spatial factors and legacy effects. Avian communities, in turn, reflect broader patterns of ecological integrity and functional traits associated with forest recovery. Together, these chapters demonstrate that recovery is taxon-specific and influenced by both structural and spatial components of the landscape. Importantly, this work underscores the value of maintaining and enhancing deadwood diversity as a core strategy for restoring biodiversity and ecosystem functionality in tropical forest landscapes undergoing regeneration.Tropenwälder gehören zu den artenreichsten und funktionell wichtigsten Ökosystemen der Erde und spielen eine entscheidende Rolle in den globalen biogeochemischen Kreisläufen, insbesondere bei der Regulierung von Kohlenstoff und Wasser. Große Teile dieser Wälder sind jedoch durch Abholzung, Landumwandlung und nicht nachhaltige Bewirtschaftung, insbesondere in Lateinamerika, geschädigt worden. Als Reaktion darauf werden die ökologische Wiederherstellung und die natürliche Regeneration zunehmend als kosteneffiziente Strategien zur Wiederherstellung der Artenvielfalt und der Ökosystemfunktionen gefördert. Dennoch sind unsere Kenntnisse über die strukturelle und funktionelle Erholung tropischer Wälder in verschiedenen Landnutzungsformen nach wie vor begrenzt, insbesondere was die Rolle von Totholz, die Dynamik von Ökosystemleistungen und Indikatoren für die biologische Vielfalt auf Landschaftsebene betrifft. Totholz und die mit ihm verbundenen Insekten- und Pilzgemeinschaften spielen bei diesen Prozessen eine zentrale Rolle, doch die Auswirkungen von Walddegradierung und -erholung auf diese Organismen sind nach wie vor nur unzureichend bekannt.
Im Rahmen der DFG-Forschergruppe “Resassembly” wird in dieser Arbeit untersucht, wie sich die Wiederaufforstung tropischer Wälder auf die Totholzmenge, die Diversität und die damit verbundenen Totholzkäfer- und Pilzgemeinschaften sowie auf die Zusammensetzung der Vogelwelt auswirkt. Das Studiendesign liegt im ecuadorianischen Choco im Tieflandregenwald. Dieser globale Hotspot für Biodiversität unterlag einem raschen Landnutzungswandel. Durch die Integration von Messungen der Artenvielfalt, der Zusammensetzung der Gemeinschaften und der Interaktionsnetzwerke über taxonomische Gruppen, hinweg bietet diese Arbeit neue Einblicke in die Gemeinschaftsmuster, insbesondere von totholzbewohnenden Artengruppen.
Kapitel I liefert die konzeptionellen Grundlagen für diese Dissertation, indem es die ökologischen Folgen der Degradierung tropischer Wälder und das Potenzial der natürlichen Regeneration als Weg zur Wiederherstellung der biologischen Vielfalt und der Ökosysteme darstellt. Die Studie wird in den Kontext des stark bedrohten Chocó-Regenwaldes in Ecuador gestellt, wobei die potenziellen langfristigen Auswirkungen der Landnutzung auf die biologische Vielfalt in verschiedenen taxonomischen und funktionalen Gruppen hervorgehoben werden. Das Kapitel unterstreicht die Bedeutung von Strukturelementen wie Totholz und untersucht, wie Totholzkäfer, holzbewohnende Pilze und Vögel als Schlüsselindikatoren für die Erholung der Gemeinschaften dienen können. Zusammen bilden diese Komponenten den Rahmen für die zentralen Fragen und Ziele der Dissertation und bieten einen multidisziplinären Blickwinkel, um unser Verständnis für die Widerstandsfähigkeit tropischer Ökosysteme in sich regenerierenden Landschaften zu verbessern.
Kapitel II konzentriert sich auf Totholz, ein Schlüsselsubstrat für totholzgebundene Organismen und die Kohlenstoffdynamik. Ich habe die Menge und Vielfalt des starken (≥7 cm Durchmesser) und feinen (<7 cm) Totholzes in 62 Parzellen entlang einer Chronosequenz der Walderholung von aktiver Landwirtschaft bis zum Urwald quantifiziert. Entgegen den Erwartungen nahm das Totholzvolumen nicht durchgängig mit der Erholungszeit zu, aber die Vielfalt in Bezug auf Größe, Zerfallsstadium und Holzart zeigte einen positiven Trend. Feines Totholz nahm zu, insbesondere auf ehemaligen Weideflächen, was die unterschiedlichen Auswirkungen der früheren Landnutzung verdeutlicht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass bereits Sekundärwälder eine Vielzahl von Totholzarten beherbergen können, die möglicherweise die die xylobionte Artenvielfalt unterstützen und zur Kohlenstoffspeicherung jenseits alter Wälder beitragen
Kapitel III untersucht die Vielfalt und die Zusammensetzungsprozesse von holzbewohnenden Pilzen, die standardisierte Baumstämme entlang desselben Wald-Erholungsgradienten besiedeln. Mithilfe von DNA-Metabarcoding analysierte ich Pilzgemeinschaften in Baumstämmen von fünf Baumarten, die in allen Parzellen experimentell ausgesetzt wurden. Die Pilzvielfalt pro Plot nahm mit dem Alter des Waldes zu, insbesondere bei seltenen Taxa, nahm aber in alten Wäldern wieder ab, was ein hump-shaped Muster erkennen lässt. Dies deutet darauf hin, dass Sekundärwälder zwischen 20 und 40 Jahren aufgrund einer Kombination aus ausreichender Ressourcenverfügbarkeit und Habitatheterogenität, aber immer noch begrenzter Konkurrenz, gute Bedingungen für eine hohe Pilzviefalt bieten können.
Was die Zusammensetzung der Gemeinschaft betrifft, so wurden die Pilzarten in älteren Wäldern zunehmend aggregiert, und räumliche Faktoren begannen bei der Zusammensetzung der Gemeinschaft stärker ins Gewicht zu fallen als die Identität des Wirtsbaums. Trotz des hohen Ausbreitungspotenzials von Pilzsporen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass holzbewohnende Pilze in Sekundärwäldern nach fast vier Jahrzehnten noch nicht die für Altwälder typischen Assembly-Muster erreicht haben. Dieses Kapitel unterstreicht den ökologischen Wert von Wäldern der mittleren Sukzessionsphase und die Notwendigkeit, die räumliche Strukturierung bei der Bewertung der biologischen Vielfalt von Pilzen zu berücksichtigen.
In Kapitel IV untersuche ich, wie die Vielfalt der Totholzkäfer und die Wirts-Baum-Interaktionsnetze auf die Erholung der Wälder reagieren. Standardisierte Hölzer von fünf Baumarten mit unterschiedlicher Holzdichte wurden auf 62 Parzellen in vier Erholungsstadien verteilt. Die nach 6 Monaten aus den Hölzern schlüpfenden Käfer zeigten, dass die Abundanz, der Artenreichtum und die γ-Diversität des Netzwerks mit der Erholung des Waldes zunahmen. Überraschenderweise war die Spezialisierung der Interaktionsnetzwerke in den landwirtschaftlichen Parzellen und in den Parzellen der späten Regenerationsphase höher, was darauf hindeutet, dass die Umstrukturierung der Gemeinschaft nichtlinearen Trajektorien folgen kann.
Stämme von Bäumen mit geringer Dichte beherbergten weniger einzelne Käfer, wiesen aber eine höhere γ-Diversität auf, insbesondere bei seltenen Arten. Dies macht deutlich, wie Ressourcenmerkmale mit der Sukzessionsdynamik interagieren, um den Aufbau von Gemeinschaften und ökologische Wechselwirkungen zu gestalten. Insgesamt liefert dieses Kapitel deutliche deutliche Hinweise dafür, dass Totholzkäfergemeinschaften sensitiv auf die Erholung der Wälder reagieren und dass sich ihre Interaktionsnetze unter günstigen Bedingungen relativ schnell wiederherstellen können.
In Kapitel V schließlich wird die biologische Vielfalt der Vögel als Indikator für die ökologische Integrität über denselben Gradienten der Walderholung hinweg untersucht. Mithilfe passiver akustischer Überwachung und ökologischer Nischenmetriken untersuchte ich 323 Vogelarten auf 66 Parzellen, entlang des Gradienten von aktiver Landwirtschaft bis zum Primärwald. Die Analyse zeigte, dass Vögel in landwirtschaftlich genutzten Gebieten eine größere Nischenbreite, eine größere geografische Reichweite und und morphologische Merkmale mit Hinweis auf höhere Mobilität aufwiesen, während auf Wälder spezialisierte Vögel engere Nischen und eine geringere Mobilität zeigten.
Diese Ergebnisse zeigen, dass nischenbasierte Metriken wertvolle Instrumente für die schnelle Bewertung der biologischen Vielfalt und die Planung der Erhaltung darstellen. Dieses Kapitel unterscheidet sich zwar in seinem Schwerpunkt von den anderen Kapiteln, ergänzt aber die umfassendere ökologische Darstellung, indem es eine landschaftsbezogene Sicht auf die Erholung der biologischen Vielfalt bietet. Es zeigt auch, dass sich Erholungsmuster aus funktionalen Merkmalen und Nischenmetriken ableiten lassen, die für die im Naturschutzorientierten Monitoring besonders wichtig sind.
Insgesamt unterstreicht diese Dissertation die entscheidende Rolle des Totholzes und der damit verbundenen Biota bei der Erhaltung der biologischen Vielfalt und der Ökosystemfunktionen in sich erholenden Tropenwäldern. Während Totholzkäfergemeinschaften schnell auf Veränderungen der Totholzvielfalt reagieren, zeigen Pilze komplexere Zusammensetzungsprozesse, die von räumlichen Faktoren und Altlasten beeinflusst werden. Vogelgemeinschaften wiederum spiegeln umfassendere Muster ökologischer Integrität und funktioneller Merkmale wider, die mit der Erholung der Wälder verbunden sind. Insgesamt zeigen diese Kapitel, dass die Erholung taxonspezifisch ist und sowohl von strukturellen als auch räumlichen Komponenten der Landschaft beeinflusst wird. Diese Arbeit unterstreicht den Wert der Erhaltung und Verbesserung der Totholzvielfalt als Kernstrategie für die Wiederherstellung der biologischen Vielfalt und der Ökosystemfunktionalität in tropischen Waldlandschaften, die sich verjüngen
Photoelektronen Spektroskopische Charakterisierung von Methylieren p-Block Radikalen
No full textThis work has provided a systematic and comparative investigation of lowvalent
main group radicals of the form E-CH3, spanning Groups 13, 15, and
16 of the periodic table. Through the combination of threshold photoelectron
spectroscopy with mass-selective detection and pyrolytic precursor fragmentation,
it was possible to isolate and characterize a wide range of transient
species, many of which had not previously been observed in the gas phase.
Notably, the ability to directly distinguish between σ- and π-bonding type
structures, as well as to detect small changes in geometry upon ionization,
highlights the power of ms-TPES for structural identification of reactive
intermediates. The observed similarities and differences within and across
groups offer insight not only into the underlying electronic structure of these
species, but also into the broader reactivity landscape of low-valent main
group chemistry.Diese Arbeit lieferte eine systematische und vergleichende Untersuchung niedervalenter Radikale der Hauptgruppenelemente der Form E-CH3, die sich über die Gruppen 13, 15 und 16 des Periodensystems erstrecken. Durch die Kombination von Threshold-Photoelektronenspektroskopie mit massenselektiver Detektion und pyrolytischer Fragmentierung geeigneter Vorläufer konnten zahlreiche kurzlebige Spezies isoliert und charakterisiert werden, von denen viele zuvor noch nie in der Gasphase beobachtet wurden. Besonders hervorzuheben ist die Fähigkeit der ms-TPES, σ- und π-gebundene Strukturen direkt zu unterscheiden sowie selbst kleinste Geometrieänderungen bei der Ionisierung aufzudecken. Dies unterstreicht das Potenzial dieser Methode zur strukturellen Identifizierung reaktiver Intermediate. Die innerhalb und zwischen den Gruppen beobachteten Gemeinsamkeiten und Unterschiede liefern nicht nur Einblicke in die zugrunde liegende elektronische Struktur dieser Spezies, sondern erweitern auch das Verständnis der Reaktivitätslandschaft niedervalenter Hauptgruppenelemente