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Cerium dimer anion and the contribution of 4f electrons to lanthanide metal–metal bonds
No full textDirect metal–metal bonding between lanthanide atoms has been challenging to observe. We report on the first spectroscopic characterization of the cerium dimer anion (Ce) and its neutral analog (Ce) in the gas phase, achieved using photoelectron and ultrafast spectroscopy combined with high-level quantum chemistry calculations. The electron affinity of Ce is 0.24 eV, from which a dissociation energy of 2.21 eV is derived for Ce. The wave-packet dynamics upon photodetachment are studied and yield vibrational frequencies for electronically excited Ce. Ce exhibits a conventional metal–metal triple bond with minimal contribution from 4f electrons. However, evidence of 4f-electron participation in bonding is identified for the low-energy excited states only 0.1 eV higher. The results challenge the assumption of inert 4f electrons in metal–metal bonding, and we propose a promising strategy for forming stable lanthanide–lanthanide bonds involving significant 4f-electron contributions
Evaluation and Mitigation of Domain Shift Impact between Volumetric Submicro-Scale and Micro-Scale Computed Tomography Systems in the Context of Automated Binary Wood Classification
No full textRapid and reliable automated identification of wood species can be a boon for applications across wood scientific context including forestry and biodiversity conservation, as well as in an industrial context via requirements for timber trade regulations. However, robust machine learning classifiers must be properly analyzed and immunized against domain shift effects. These can degrade the automated system performance for input data variations occurring in many real-world scenarios. This work methodologically analyses the domain shift generated by using two differing sub-micro-scale and micro-scale computed tomography setups in the focused context of deep learning based binary wood classification from volumetric image data. To counteract this, we examine several mitigation strategies and propose primary data-level and narrow model-level strategies to effectively and successfully minimize the performance domain gap. Core elements of the data-wise strategy include the combined usage of phase-correction methods, low-pass pyramid representation of the data and adjustments of model normalization and regularization. Vanishing domain performance differences led to the conclusion that the combined strategy ultimately prompted the model to learn robust features. These features are discriminative for the utilized wood species data from both sub-micro-system and micro-system domains, despite the substantial differences in data acquisition setup that propagate into fundamental image quality metrics like resolution, contrast and signal-to-noise ratio
Human action as a moral being
No full textIn seinem Sittlichkeitstraktat der Summa Theologiae (Prima Secundae, Fragen 18–21) entwickelt Thomas von Aquin ein feinkörnig ausdifferenziertes Modell zur Bewertung der Gutheit bzw. Schlechtheit von menschlichen Handlungen in verschiedenen Dimensionen. Dabei greift er regelmäßig auf Analogien und Parallelen aus der Ontologie sowie der Naturphilosophie zurück. Der vorliegende Artikel leuchtet diese Rekurse detailliert aus und zeigt (unter anderem am Beispiel des Diebstahls), wie Thomas moralische Handlungen durch den Blick auf ihren Gegenstand, ihre Ziele und ihre Umstände spezifiziert; dabei wird deutlich, dass Thomas ein und dieselbe moralische Handlung ggf. mehr als einer Art zuordnet, also eine plurale Spezifikation zulässt. Ebenso wird die Anwendung des hylemorphistischen Schemas von Form und Materie auf die sittliche Handlung, insbesondere auf das Verhältnis von innerem und äußeren Akt, näher untersucht. Thomas möchte hier trotz der Unterscheidung dieser beiden Momente die innere Einheit der sittlichen Handlung stärken und dadurch auch den Bereich des Sittlichen (genus moris) gegenüber dem des Natürlichen (genus naturae) abheben. Durch seine Akzentuierung der äußeren Handlung in ihrer sittlichen Relevanz wirkt er dabei einer Reduktion von Moral auf Intentionalität à la Peter Abaelard entgegen. Abschließend zeigt der Artikel, dass Thomas trotz der häufigen Rekurse auf substanzontologische Kategorien keine Ableitung der Ethik bzw. der praktischen Vernunft aus der theoretischen Philosophie betreibt und dass sein Modell der quasi-substanziellen Betrachtung der Gutheit bzw. Schlechtheit der sittlichen Handlung auch noch heute einige Attraktivität besitzt.In his treatise on morality in the Summa Theologiae (Prima Secundae, Questions 18–21), Thomas Aquinas develops a fine-grained model for evaluating the goodness or badness of human actions in various dimensions. In doing so, he regularly draws on analogies and parallels from ontology and natural philosophy. This article examines these recourses in detail and shows (using the example of theft, among others) how Thomas specifies moral actions by looking at their object, their goals and their circumstances; it becomes clear that Thomas may assign one and the same moral action to more than one kind, thus allowing for a plural specification. The application of the hylemorphic pattern of form and matter to moral action, in particular to the relationship between the inner and outer act, is also examined in some detail. Despite the distinction between these two moments, Thomas wishes to strengthen the inner unity of moral action and thereby distinguish the realm of the moral (genus moris) from that of the natural (genus naturae). By highlighting the external action in its moral relevance, he refrains from reducing morality to intentionality (as Peter Abelard had done before him). In conclusion, the article shows that Thomas does not derive ethics or practical reason from theoretical philosophy, despite his frequent recourse to ontological categories, and that his quasi-substantial model of considering the goodness or badness of moral actions still has some appeal today
On inverse Goodstein sequences
No full textIn the late 1980s, Abrusci, Girard and van de Wiele defined a variant of Goodstein sequences: the so-called inverse Goodstein sequence. In their work, they show that it terminates precisely at the Bachmann-Howard ordinal. This reveals that a proof of this fact requires substantial consistency strength. Moreover, the authors could show that sequences of this kind terminate even if the hereditary base change at the heart of their construction is replaced by a generalization using arbitrary dilators. It has been a conjecture by Andreas Weiermann that this more general result has a connection to Bachmann-Howard fixed points and is, therefore, equivalent to one of the most famous strong set existence principles from reverse mathematics: Π11-comprehension. In this article, we prove this conjecture to be correct. Moreover, we show that the ordinal at which such sequences terminate is, in a fundamental way, isomorphic to the 1-fixed point of their dilator, a new concept introduced by Freund and Rathjen. This yields explicit notation systems and a general method for specifying such ordinals. Also, using the notation systems provided by 1-fixed points, we can reproduce the result that the Goodstein sequence terminates at the Bachmann-Howard ordinal in a weak system. Additionally, we perform a similar computation for a variant of Goodstein sequences, which terminates at a predicative ordinal
Therapeutic plasma exchange in amatoxin associated acute liver failure–results from the multi-center Amanita-PEX study
No full textBackground
Amatoxin-related acute liver failure (AT-ALF) carries high mortality without liver transplantation (LTX). While therapeutic plasma exchange (PEX) might improve LTX-free survival in other ALF cases, its role in AT-ALF is unclear. Clinical practice varies, and, given the rarity of this ALF entity, the feasibility of conducting a randomized controlled trial to investigate PEX in AT-ALF is more or less impossible.
Methods
The Amanita-PEX study is a multi-center, international, retrospective study analyzing patients with AT-ALF from 2013 to 2024. The primary outcome was 28-day LTX-free survival (composite endpoint: death or LTX) after ALF diagnosis.
Results
The study included 111 patients from 25 centers: 82 received standard-of-care (SOC), and 29 received at least one PEX-session. PEX and SOC-groups were comparable at baseline, but 76% of PEX- vs. 58% of SOC-patients developed hepatic-encephalopathy (HE) grade ≥ 2 (p = 0.021). While the primary outcome of 28-day LTX-free survival in all patients was not different between the SOC and PEX-groups, in the subgroup of patients with maximal HE grade ≥ 2, LTX-free survival was 19.1% (n = 8/42) in the SOC group, while it was 36.4% (n = 8/22) in patients receiving adjunctive PEX (Gehan-Breslow-Wilcoxon-p = 0.041, Log-Rank-p = 0.060). PEX was independently associated with reduced risk of the combined endpoint death or liver transplantation within 28 days from inclusion in patients with HE grade ≥ 2 (HR 0.37, 95%-CI 0.19–0.73, p = 0.004). After propensity-score-matching, LTX-free survival was 28% in the SOC- and 52% in the PEX group (Gehan-Breslow-p = 0.036; Log-Rank-p = 0.035).
Conclusions
In this real-world study, adjunctive use of PEX was associated with increased LTX-free-survival in patients with AT-ALF and HE grade ≥ 2
Biomechanical evaluation of an adhesive bone substitute for surgical treatment of lateral tibial head compression fractures
No full textThis study presents a breakthrough approach using a bone cement as both a bone adhesive and a filler. The adhesive and drillable magnesium phosphate cement proves to be a versatile solution featuring a new surgical method in which the fracture is anatomically reduced using only the cement. Furthermore, with this new technique, the cement demonstrates comparable, if not slightly superior, biomechanical stability in the porcine tibial split depression fracture model compared to the current standard of surgical treatment using primary plate osteosynthesis and a commercial hydroxyapatite cement.Diese Studie präsentiert einen bahnbrechenden Ansatz, bei dem Knochenzement sowohl als Knochenkleber als auch als Füllstoff verwendet wird. Der klebende und bohrbare Magnesiumphosphatzement erweist sich als vielseitige Lösung, die eine neue chirurgische Methode ermöglicht, bei der die Fraktur ausschließlich mit Hilfe des Zements anatomisch reduziert wird. Darüber hinaus zeigt der Zement mit dieser neuen Technik im Modell einer gespaltenen Tibiafraktur beim Schwein eine vergleichbare, wenn nicht sogar leicht überlegene biomechanische Stabilität im Vergleich zum aktuellen Standard der chirurgischen Behandlung mit primärer Plattenosteosynthese und einem handelsüblichen Hydroxylapatit-Zement
Der C-Typ-Natriuretisches Peptid - cGMP Signalweg in Lungenperizyten: Protektive Effekte bei Pulmonaler Hypertonie
No full textPulmonary hypertension (PH) is a progressive vascular disease characterized by elevated pulmonary arterial pressures (> 20 mmHg at rest) and extensive vascular remodelling driven by various pathological stimuli. Among the five PH subtypes, this thesis primarily investigates Type 1 PH, pulmonary arterial hypertension (PAH), and to a lesser extent, Type 3 PH, associated with chronic hypoxia or lung diseases. PAH, although rare, often leads to fatal right heart failure (Cor pulmonale). Additionally, PH can be secondary to other cardiovascular or pulmonary conditions, affecting an estimated 1-3% of the global population. A detailed understanding of the mechanisms underlying the remodelling and thickening of both pulmonary macro- and microvessels is essential for developing therapeutic strategies. While the role of endothelial cells and vascular smooth muscle cells in the remodelling of larger vessels is well-established, recent studies highlight the critical contribution of pericyte dysfunction—such as an increased pericyte population—in the microvascular remodelling of lungs from PAH patients. This process is largely driven by the upregulated expression of growth factors. However, whether endogenous factors exist that counteract these pathological growth processes remains unclear.
C-type natriuretic peptide (CNP), an endothelial–derived hormone with paracrine and autocrine functions, is essential for maintaining cardiovascular homeostasis. Through activation of its membrane-bound guanylyl cyclase-B (GC-B) receptor, cyclic GMP (cGMP) acts as a second messenger to mediate its biological effects. This leads to pericyte relaxation, subsequently reducing peripheral vascular resistance. Additionally, CNP stabilizes the endothelial barrier and inhibits leukocyte and platelet activation, as observed in conditions such as atherosclerosis. However, the specific functions of CNP in pulmonary vasculature remain poorly characterized.
The aim of this thesis is to analyze the functional properties of PH pericytes and the effects of exogenous CNP on these properties in vitro. Complementary experiments were conducted using precision-cut lung slices (PCLS) from mice to characterize the effects of CNP in a physiologically relevant system, where multiple lung parenchymal cell types interact. Furthermore, the expression of CNP and its receptor GC-B was examined in lung tissue samples from PAH patients and rodents with experimentally induced PAH.
Our findings revealed that cultured PAH pericytes exhibited distinct functional and metabolic phenotypes compared to control pericytes, including increased proliferation, migration, transdifferentiation to hypercontractile phenotype, and metabolic reprogramming. This metabolic shift was marked by elevated glucose transporter 1 (GLUT-1) expression, enhanced glucose uptake and glycolysis, pyruvate anaplerosis and de novo pyrimidine synthesis. These changes were associated with upregulation of pyruvate dehydrogenase kinase 1 (PDK1) expression, enhanced carbamoyl-phosphate synthetase 2, aspartate transcarbamoylase and dihydroorotase (CAD) activities as well as increased levels of derived metabolites. These differences were particularly pronounced under stimulation of PAH pericytes by the growth factors PDGF-BB or TGF-β.
The CNP/GC-B/cGMP signalling pathway inhibited growth factor–induced proliferation, migration and transdifferentiation of both control and PAH pericytes. Moreover, CNP suppressed glucose uptake through activation of cGMP-dependent protein kinase 1 (cGKI), leading to reduced expression of hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) and GLUT-1. Additionally, CNP prevented de novo pyrimidine synthesis by inhibiting CAD via cGMP-stimulated phosphodiesterase 2A (PDE2A). These findings were further supported by the observation that CNP reduced PDGF-BB–induced proliferation and associated metabolic changes in cultured PCLS.
Furthermore, CNP mRNA levels were significantly downregulated in lung tissue from PAH patients and experimental PAH models, suggesting a potential pathophysiological relevance of the CNP signalling pathway. Taken together, the findings of this thesis suggested the therapeutic potential of synthetic, long-acting CNP analogs to compensate for endogenous CNP reduction in the treatment of PH.Pulmonale Hypertonie (PH) ist eine fortschreitende vaskuläre Erkrankung, die durch einen erhöhten Blutdruck in den Lungenarterien (> 20 mmHg in Ruhe) und eine ausgeprägte vaskuläre Remodellierung infolge verschiedener pathologischer Stimuli gekennzeichnet ist. Diese Dissertation fokussiert sich auf Typ 1 PH, die pulmonale arterielle Hypertonie (PAH), sowie in geringerem Umfang auf Typ 3 PH, welche mit chronischer Hypoxie oder anderen Lungenerkrankungen assoziiert ist. Obwohl PAH eine seltene Form der PH darstellt, führt ihr Fortschreiten häufig zu einem fatalen Rechtsherzversagen (Cor pulmonale). Sekundär kann PH zudem als Komplikation von Herz-Kreislauf- oder Lungenerkrankungen auftreten; dies betrifft etwa 1–3 % der Weltbevölkerung. Eine detaillierte Kenntnis der Mechanismen welche zu der Remodellierung bzw. Verdickung der pulmonalen Makro- als auch Mikrogefäße führen, ist essenziell für die Entwicklung wirksamer therapeutischer Strategien. Während die Beteiligung von Endothelzellen und vaskulären glatten Muskelzellen an der Gefäßremodellierung größerer Gefäße bereits gut beschrieben ist, weisen neuere Studien auf eine bedeutende Rolle von Perizytendysfunktionen bei der Remodellierung der Mikrovaskulatur hin. Diese wird maßgeblich durch eine gesteigerte Expression von Wachstumsfaktoren ausgelöst. Bislang ist unklar ob es auch endogene Faktoren gibt, die diesen pathologischen Wachstumsprozessen entgegenwirken können.
Das parakrin wirkende C-Typ Natriuretische Peptid (CNP) spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der kardiovaskulären Homöostase. Durch die Aktivierung seines membranständigen Guanylyl-Zyklase-B (GC-B)-Rezeptors vermittelt zyklisches GMP (cGMP) als second messenger seine biologischen Effekte. Dies führt zur Relaxation von Perizyten und in Folge zu einer Abnahme des peripheren Gefäßwiderstands. Zudem stabilisiert CNP die endothelialen Barriere, und es hemmt die Aktivierung von Leukozyten- und Thrombozyten, beispielsweise bei Atherosklerose. Die spezifischen Funktionen von CNP in pulmonalen Gefäßen sind bislang wenig charakterisiert.
Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, die funktionellen Eigenschaften von PH-Perizyten und die Effekte von exogenem CNP auf diese Eigenschaften in vitro zu analysieren. Ergänzend dazu wurden Experimente an kultivierten Präzisionsschnitten muriner Lungen (PCLS) durchgeführt, um die Effekte von CNP im physiologisch relevanten Zusammenspiel verschiedener Zelltypen des Lungenparenchyms zu charakterisieren. Des Weiteren wurde die Expression von CNP und seinem Rezeptor GC-B in Lungen-Gewebeproben von PAH-Patienten sowie von Nagern mit experimentell induzierter PH untersucht.
Kultivierte PAH-Perizyten zeigen im Vergleich zu Kontrollperizyten einen verstärkt proliferativen, migratorischen und zur Transdifferenzierung neigenden Phänotyp. Zusätzlich weisen sie eine erhöhte Glukoseaufnahme, Glykolyse und de-novo-Pyrimidinsynthese auf, die zu dem hyperproliferativen Phänotyp beitragen. Zu diesen metabolischen Veränderungen tragen eine verstärkte Expression des Glukosetransporters 1 (GLUT-1) und der Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase 1 sowie eine gesteigerte Aktivität des multifunktionalen Enzyms CAD (Carbamoyl-Phosphat-Synthetase 1, Aspartat-Transcarbamoylase und Dihydroorotase) bei. Der CNP/GC-B/cGMP-Signalweg hemmt die Proliferation, Migration und Transdifferenzierung von PAH- und Kontroll-Perizyten. Darüber hinaus hemmt CNP durch die Aktivierung der cGMP-abhängigen Kinase 1 und eine daraus resultierende verminderte Expression von Hypoxie-induziertem Faktor-1α und GLUT-1 die Glukoseaufnahme. Zudem verhindert CNP über die Aktivierung der cGMP-stimulierten Phosphodiesterase 2A die de novo Pyrimindinsynthese durch Hemmung von CAD. Diese Ergebnisse werden durch die Beobachtung gestützt, dass CNP in kultivierten PCLS die durch PDGF-BB induzierte Proliferation und die damit verbundenen Stoffwechselveränderungen reduzierte.
Interessanterweise war die CNP mRNA Expression in den Lungen von PAH-Patienten sowie in Lungen von Nagern mit experimentell-induzierter PH signifikant erniedrigt, was auf eine potenziell pathophysiologische Relevanz des CNP-Signalwegs hinweist. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse dieser Dissertationsarbeit darauf hin dass die Verabreichung von synthetischen CNP-Analoga zur Kompensation des endogenen CNP-Mangels einen therapeutischen Ansatz zur Behandlung der PH darstellen könnte
Neuartige organisch-anorganische Hybridmaterialien und der Einbau des BN-Motivs in die DNA
No full textOrganic polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have received increased scientific attention in recent decades. The considerable interest in this type of compound is primarily due to their extremely favorable optoelectronic properties and the wide range of associated applications. PAHs are well established in the field of organic electronics (OLEDs, OPVs, and OFETs). PAHs are also of crucial importance in biological research. Due to their use as fluorophores in modified fluorescent nucleosides, they represent a central element of modern DNA research. The substitution of individual carbon atoms with other main group elements allows the properties of conjugated PAHs to be modified for novel applications. This work focuses in particular on the replacement of CC bonds with isosteric and isoelectric BN bonds and the application of the resulting BN-doped PAHs.
In this work, the novel substance class rylene bis(diborinic imide)s is presented and extensively characterized as BNB-doped organic-inorganic PAHs. In addition, the first BN-doped PAH-extended nucleosides were synthesized and successfully incorporated into DNA oligonucleotides.
Chapter 2.1 describes the synthesis and characterization of PDBI, TDBI, and QDBI. The new class of compounds exhibits interesting electronic and photophysical properties. Not only was PDBI reduced electrochemically, but the various anionic species were also selectively isolated and fully characterized. The optoelectronic properties were verified using DFT calculations. Furthermore, ACID and 2D-NICSZZ calculations showed that the reduction creates a global diatropic ring current through the entire system.
Chapter 2.2 describes the synthesis of BN-phenanthrene- and BN-pyrene-extended nucleosides. Both exhibit interesting photophysical properties. Due to its outstanding photophysical properties compared to the CC-pyrene-extended nucleoside and its stability in biologically relevant conditions, the BN-pyrene-extended nucleoside is an excellent candidate for its use in DNA-based applications.
Chapter 2.3 describes the synthesis of BNB- and NBN-phenalenyl-extended nucleosides. While the BNB-phenalenyl-based nucleoside exhibits blue fluorescence in an aqueous environment, the emission of the NBN-phenalenyl-based nucleoside is quenched due to radiation-free relaxation from a CT state in polar environment. The aggregation of an equimolar mixture of both nucleosides also exhibits no fluorescence, which can be attributed to Förster resonance energy transfer (FRET) and the subsequent radiation-free relaxation of the NBN-phenalenyl-based nucleoside. This behavior was also observed after incorporation into DNA oligonucleotides. As a potential DNA-based application, a Toehold-mediated strand displacement reaction (TMSD) was tracked by the altered emission of the fluorophore-quencher pair in order to investigate the kinetics of the reaction.Organische polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) haben in den letzten Jahrzehnten eine verstärkte wissenschaftliche Aufmerksamkeit erfahren. Das signifikante Interesse an dieser Verbindungsklasse lässt sich in erster Linie auf ihre äußerst vorteilhaften optoelektronischen Eigenschaften und die damit assoziierten vielfältigen Anwendungsgebiete zurückführen. PAKs sind im Bereich der organischen Elektronik (OLEDs, OPVs und OFETs) etabliert. PAKs sind auch in der biologischen Forschung von zentraler Relevanz. Sie stellen aufgrund ihrer Verwendung als Fluorophor in modifizierten fluoreszierenden Nukleosiden ein zentrales Element moderner DNS-Forschung dar. Die Substitution einzelner Kohlenstoffatome durch andere Hauptgruppenelemente ermöglicht die Variation der Eigenschaften konjugierter PAKs für neuartige Anwendungsmöglichkeiten. Der besondere Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Austausch von CC-Bindungen durch isostere und isoelektrische BN-Bindungen und der Anwendung der dadurch erhaltenen BN dotierten PAKs.
In dieser Arbeit wird die neuartige Substanzklasse der Rylen-bis(diborinimid)e, als BNB-dotierte organisch-anorganische PAKs dargestellt und umfassend charakterisiert. Darüber hinaus wurden die ersten BN-dotierten PAKs an Nukleoside gekoppelt und erfolgreich in DNS-Oligonukleotide eingebaut.
In Kapitel 2.1 wird die Synthese und Charakterisierung von PDBI, TDBI und QDBI beschrieben. Die neue Verbindungsklasse zeigt interessante elektronische und photophysikalische Eigenschaften. Das PDBI wurde nicht nur elektrochemisch reduziert, sondern die verschiedenen anionischen Spezies wurden zusätzlich selektiv synthetisch dargestellt und vollständig charakterisiert. Die optoelektronischen Eigenschaften wurden mittels DFT-Rechnungen verifiziert. Des Weiteren konnte mittels ACID- und 2D NICSZZ-Rechnungen gezeigt werden, dass durch die Reduktion ein globaler diatroper Ringstrom durch das gesamte System entsteht.
In Kapitel 2.2 wird die Synthese von BN-Phenanthren- und BN-Pyren-erweiterten Nukleosiden beschrieben. Beide zeigen interessante photophysikalische Eigenschaften. Aufgrund seiner herausragenden photophysikalischen Eigenschaften im Vergleich zum CC-Pyren-erweiterten Nukleosid und seiner Stabilität unter biologisch relevanten Bedingungen ist das BN-Pyren-erweiterte Nukleosid ein exzellenter Kandidat für die Nutzung in DNS-basierten Anwendungen.
In Kapitel 2.3 wird die Synthese von BNB- und NBN-Phenalenyl-erweiterten Nukleosiden dargestellt. Während das BNB-Phenalenyl-Nukleosid im wässrigen Milieu blaue Fluoreszenz zeigt, ist die Emission des NBN-Phenalenyl-Nukleosidd aufgrund von strahlungsfreier Relaxation aus einem CT-Zustand in polarer Umgebung gequencht. Bei der Aggregation einer equimolaren Mischung aus beiden Nukleosiden ist ebenfalls keine Fluoreszenz erkennbar, was auf einen Förster Resonanz-energietransfer (FRET) und die anschließende strahlungsfreie Relaxation des NBN-Phenalenyl-basierten Nukleosids zurückgeführt werden kann. Dieses Verhalten konnte auch nach dem Einbau in DNS-Oligonukleotide beobachtet werden. Als potenzielle DNS-basierte Anwendung wurde eine Toehold-vermittelte Strangverdrängungsreaktion durch die veränderte Emission des Fluorophor-Quencher-Paars verfolgt, um so die Kinetik der Reaktion untersuchen zu können
Decodierung von Autoantikörpern und therapeutischen Antikörpern im Array Format
No full textAntibodies, the watchdogs of our humoral immune system, are highly specific proteins that can target a wide range of antigens. Their outstanding diversity, achieved by non-homologous recombination and somatic hypermutation processes, can generate up to 10¹² variants, enabling their vast application in a proteome-wide context. Accordingly, to such target range, a key challenge lies in identifying the cognate antigens and related antibody-antigen interfaces. This doctoral dissertation tackles this challenge using high-throughput peptide microarrays and simultaneously serve thousands of peptides to map epitope landscapes across different diseases contexts.
The basis for this work was laid through an amyloid-beta microarray, which benchmarks the approach before its application to complex human samples from autoimmune patients. The molecular specificities of Aβ-Antibodies remain poorly mapped thus limiting their use. By employing 20 state-of-the-art anti-Aβ antibodies, compromising Aducanumab, Lecanemab and Donanemab biosimilars, this first study profiled the binding sites of anti-Aβ and clustered tools for detecting Aβ truncations, mutational variants, and post-translational modifications. This systematic approach provides a scalable approach to define the epitope space of Aβ tools and supports the development of novel antibodies via detailed fingerprint analysis.
Failure of self-tolerance may re-direct B cells against self-antigens, as seen in conditions such as autoimmunity, cancer, and neurodegeneration. In my work, I hypothesized that autoimmune neurological disorders remain underreported, likely due to our incomplete understanding of disease-specific epitopes. Therefore, the identification of unknown B cell epitopes is essential to provide new options for diagnosis.Antikörper, die Wächter unseres humoralen Immunsystems, sind hochspezifische Proteine, die sich gegen ein breites Spektrum von Antigenen richten können. Ihre herausragende Vielfalt, die durch nicht-homologe Rekombination und somatische Hypermutation erreicht wird, kann bis zu 10¹² Varianten hervorbringen, was ihre breite Anwendung in einem proteomweiten Kontext ermöglicht. Dementsprechend liegt bei einem solchen Zielspektrum eine zentrale Herausforderung in der Identifizierung der kognitiven Antigene und der entsprechenden Antikörper/Antigen-Schnittstellen. In dieser Dissertation wurden Hochdurchsatz-Peptid-Microarrays eingesetzt, um die Epitoplandschaften dieser Antigene in verschiedenen Krankheitskontexten zu kartieren.
Die Basis für diese Arbeit wurde durch ein Amyloid-Beta-Microarray als Benchmark für das Konzept geschaffen, bevor es auf komplexe menschliche Proben von Autoimmunpatienten angewendet wurde. Die molekularen Spezifitäten von Aβ-Antikörper sind nach wie vor nur unzureichend kartiert, was ihre Verwendung einschränkt. Durch den Einsatz von 20 hochmodernen Anti-Aβ-Antikörpern, darunter die biosimilaren Antikörper Aducanumab, Lecanemab und Donanemab, wurden in dieser ersten Studie die genauen Bindungsstellen von Anti-Aβ Antikörpern untersucht und Werkzeuge zum Nachweis von Aβ-Trunkierungen, Mutationsvarianten und posttranslationalen Modifikationen geclustert. Diese systematische Herangehensweise bietet einen skalierbaren Ansatz zur Definition von Epitopen von Aβ-Tools und fördert die Entwicklung neuartiger Antikörper durch eine detaillierte Fingerprint-Analyse.
Ein Versagen der Selbsttoleranz kann dazu führen, dass B-Zellen gegen Selbstantigene umgelenkt werden, wie dies bei Erkrankungen wie Autoimmunität, Krebs und Neurodegeneration der Fall ist. In meiner Arbeit stellte ich die Hypothese auf, dass autoimmune neurologische Erkrankungen nach wie vor zu wenig erforscht sind, was wahrscheinlich auf unser unvollständiges Verständnis der krankheitsspezifischen Epitope zurückzuführen ist. Daher ist die Identifizierung unbekannter B-Zell-Epitope von entscheidender Bedeutung, um neue Möglichkeiten der Diagnose zu schaffen. In der zweiten Veröffentlichung habe ich ein immundominantes Epitop identifiziert und seine Bindungsanforderungen in den bisher größten neuropsychiatrischen Kv1-Kohorten bestimmt, was neue Wege für die Patientenstratifizierung durch epitopbasierte Ansätze eröffnet. Insgesamt bietet diese Dissertation einen Rahmen für die Kartierung von Antikörper-Antigen-Interaktionen und die Bewältigung dieser seit langem bestehenden Herausforderung im Kontext komplexer menschlicher Proben und ebnet den Weg für die Anwendung von Biomarkern, wie eine ausstehende Patentanmeldung zu Autoimmunepitopen zeigt
Modellierung der Wechselwirkungen zwischen Hirntumor und Tumormikroumgebung mit biofabrizierten 3D-Kompositen
No full textBrain tumors, primary and metastatic, are the most malignant and prevalent neoplastic
diseases. Life expectancy and prognosis of patients are extremely poor, as treatment options are
mostly palliative. IDH wild type glioblastoma is the most aggressive primary brain tumor. These
tumors are characterized by their quick progression and wide infiltration. Triple-negative breast
cancer is the most lethal form of breast cancer, for which patients commonly present brain
metastases. These two kinds of malignant brain tumors are characterized by their ability to
manipulate their surrounding tumor microenvironment. Glioblastoma and breast tumor cells
integrate into healthy brain tissue and then hijack mechanisms for proper neuronal circuit function.
Promoting tumor progression in this manner, by increasing tumor proliferation, invasion, and the
immunosuppression of healthy brain parenchyma. Combating these tumors by severing their
interactions with native brain components has been proposed, yet many aspects of these tumor-tumor
microenvironment interplay are not entirely understood.
Generating research strategies to help unravel tumor intrinsic mechanisms to promote
therapeutic discovery is crucial. Taking steps to produce a clinically relevant in vitro platform to
generate new treatment options for patients with glioblastoma and breast-metastatic tumors was the
primary goal of this thesis. For this purpose, advanced biofabrication techniques were employed to
produce brain-mimicking 3D composites. In which melt-electrowritten scaffolds served as structural
support for ultrasoft hydrogels, together with hyaluronic acid-based hydrogels supplemented with
laminin, fibronectin, and collagen type IV. The 3D biofabricates were fine-tuned to mimic the
mechanical properties and chemical composition of the brain extracellular matrix. In this platform
triculture systems of glioblastoma and breast-metastatic tumors were established. With primary
neurons and astrocytes, glioblastoma GL-261 cells or breast-metastatic MDA-MB-231/361 cells
grew together in 3D in vitro bioassembled composites. A systematic functional and structural
characterization of this system revealed that tumor cells in vitro manipulated native brain cells using
the molecular mechanisms reported in mouse models. Generating stable cell-cell contacts with
neurons (AMPA receptors) and astrocytes (gap junctions). Leading to a functional hyperexcitable
phenotype of the in vitro 3D neuronal networks. Furthermore, tumor cells remodeled the artificial
extracellular matrix by secreting matrix metalloproteinases, thereby decreasing the stiffness of the
3D composite. These last two results have also been reported as functional consequences of
glioblastoma in patients. The presented work presents significant advances in modelling brain
tumors and their microenvironment. Providing a robust, reproducible, and controlled platform that
recapitulates the pathophysiology of malignant brain tumors in vitro. Paving the way towards a
preclinical 3D system for advanced drug testing and discovery.Hirntumore, sowohl primäre als auch metastasierte, sind die bösartigsten und am weitesten verbreiteten neoplastischen Erkrankungen. Die Lebenserwartung und Prognose der Patienten ist äußerst schlecht, da die Behandlungsmöglichkeiten meist palliativ sind. Das Glioblastom vom IDHWildtyp ist die aggressivste Form des primären Hirntumors. Diese Tumore zeichnen sich durch ein schnelles Fortschreiten und eine breite Infiltration aus. Triple-negativer Brustkrebs ist die tödlichste Form von Brustkrebs, bei der Patientinnen häufig Hirnmetastasen aufweisen. Diese beiden Arten von malignen Hirntumoren zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, die sie umgebende Mikroumgebung des Tumors zu manipulieren. Glioblastom- und Brusttumorzellen integrieren sich in gesundes Hirngewebe und unterwandern dann die Mechanismen, die für die ordnungsgemäße Funktion neuronaler Schaltkreise sorgen. Auf diese Weise fördern sie das Tumorwachstum, indem sie die Proliferation, die Invasion und die Immunsuppression des gesunden Hirnparenchyms verstärken. Es wurde vorgeschlagen, diese Tumoren zu bekämpfen, indem man ihre Wechselwirkungen mit den natürlichen Komponenten des Gehirns unterbricht. Jedoch sind viele Aspekte dieses Zusammenspiels zwischen Tumor und Mikroumgebung noch nicht vollständig verstanden. Die Entwicklung von Forschungsstrategien, die dazu beitragen, tumoreigene Mechanismen zu entschlüsseln und somit die Entdeckung von Therapien zu fördern, ist von entscheidender Bedeutung. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Schaffung einer klinisch relevanten In-vitro- Plattform zur Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeiten für Patienten mit Glioblastom und brustmetastasierenden Tumoren. Zu diesem Zweck kamen fortschrittliche Biofabrikationstechniken zum Einsatz, um hirnähnliche 3D-Komposite herzustellen. Dabei dienten Melt-Electrowritten Scaffolds als Strukturträger für ultraweiche Hydrogele sowie für Hydrogele auf Hyaluronsäurebasis, die mit Laminin, Fibronektin und Kollagen Typ IV ergänzt wurden. Die 3D-Biofabricates wurden genau abgestimmt, um die mechanischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung der extrazellulären Matrix des Gehirns nachzuahmen. Auf dieser Plattform wurden Trikultursysteme von Glioblastom- und Brustmetastasen-Tumoren hergestellt. In 3D-in-vitro-Bioassemblaten wuchsen Glioblastomzellen GL-261 oder brustmetastatische Zellen MDA-MB-231/361 zusammen mit primären Neuronen und Astrozyten. Eine systematische funktionelle und strukturelle Charakterisierung dieses Systems ergab, dass Tumorzellen native Gehirnzellen in vitro mit Hilfe der in Mausmodellen beschriebenen molekularen Mechanismen beeinflussen. Sie erzeugten stabile Zell-Zell-Kontakte mit Neuronen (AMPA-Rezeptoren) und Astrozyten (Gap Junctions). Dies führte zu einem funktionellen, übererregbaren Phänotyp der in-vitro-3D-Neuronennetzwerke. 3 Darüber hinaus bauten Tumorzellen die künstliche extrazelluläre Matrix durch Sekretion von Matrixmetalloproteinasen um und verringerten so die Steifigkeit des 3D-Verbundmaterials. Diese beiden Ergebnisse sind auch als funktionelle Folgen des Glioblastoms bei Patienten bekannt. Die vorgestellte Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Modellierung von Hirntumoren und ihrer Mikroumgebung dar. Sie bietet eine robuste, reproduzierbare und kontrollierte Plattform, die die Pathophysiologie bösartiger Hirntumore in vitro nachbildet. Sie ebnet den Weg zu einem präklinischen 3D-System, das für die fortgeschrittene Arzneimittelprüfung und -entdeckung eingesetzt werden kann