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Interaktionen von magnetischen Suprapartikeln auf mehreren Größenskalen bei Abfrage durch Magnetische Partikel Spektroskopie
No full textFunktionsmaterialien sind ein wesentlicher Bestandteil des technologischen Fortschritts in modernen Industriegesellschaften. Diese Materialien zeichnen sich durch gezielt einstellbare mechanische, optische, elektrische oder chemische Eigenschaften aus. Trotz dieser vielseitigen Funktionalität bleiben die meisten Materialien in ihrer Anwendung passiv, was bedeutet, dass sie keine Informationen über ihre Identität, ihren Zustand oder über Umwelteinflüsse, denen sie ausgesetzt waren, liefern. Solche Informationen wären jedoch von großem Nutzen, um Produktfälschungen zu vermeiden, Qualität zu sichern, Materialermüdung frühzeitig zu erkennen, Nutzungszeiträume von Produkten zu optimieren, sowie Materialkomponenten zu identifizieren, um Sortierung und effizientes Recycling zu ermöglichen. Eine vielversprechende Lösung liegt in der Integration von Additiven, die maschinenlesbare Informationen speichern oder aktiv auf Umwelteinflüsse, die zur Degradation führen, reagieren, um diese aufzuzeichnen.
Die vorliegende kumulative Dissertation widmet sich der Entwicklung und Erforschung magnetischer Suprapartikel (SP) als informationsgebende Additive. SP sind mikrometergroße Strukturen, die aus nanoskaligen Bausteinen zusammengesetzt sind. Die mittels Sprühtrocknung hergestellten SP bieten eine vielseitige Plattform, um magnetische Interaktionen zwischen Nanopartikeln gezielt durch strukturelles Design der SP zu gestalten. Durch diesen Ansatz können SP hergestellt werden, deren magnetische Interaktionen als ein über die Zeit hinweg stabiles Identifikationsmerkmal dienen, oder aber durch strukturelle Änderungen speicherfähige Indikatoren für Umwelteinflüsse darstellen. Die Verwendung magnetischer Signale hat hierbei den Vorteil, dass sie, anders als optische, auch durch opake Materialien hindurch auslesbar sind. So lassen sich SP problemlos in verschiedenste Objekte einbetten und die gespeicherten Informationen zerstörungsfrei und in Echtzeit mit Hilfe der magnetischen Partikelspektroskopie (MPS) auslesen. Zudem ermöglicht diese Methode Messungen mit tragbaren Geräten bei Raumtemperatur.
Ein zentrales Forschungsthema dieser Arbeit ist das Verständnis der komplexen magnetischen Interaktionen innerhalb der SP sowie zwischen einzelnen SP oder Gruppen von SP bei Abfrage durch MPS. Diese Interaktionen beeinflussen das MPS-Signal maßgeblich und müssen präzise verstanden werden, um Informationen verlässlich auslesen und interpretieren zu können. In einem mehrstufigen Ansatz werden im Rahmen dieser Dissertation Interaktionen auf verschiedenen Längenskalen untersucht, angefangen bei den Interaktionen einzelner Nanopartikel bis hin zu kollektiven Effekten zwischen mehreren SP in festen Materialien.
Im ersten Teil der Arbeit (Kapitel 3.1) liegt der Fokus auf magnetischen Interaktionen von kurzer Reichweite (Nanometer) zwischen superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs). Es wird gezeigt, dass sich Dipol-Dipol Interaktionen der SPIONs durch Agglomeration in Dispersionen, etwa infolge von pH-Änderungen oder der Zugabe von Tensiden, ändern und sich diese Änderung messbar im MPS-Spektrum niederschlägt. Anhand dieses Effekts wird gezeigt, in wie weit die Kombination von SPIONs als magnetische Signalträger und MPS als Auslesegerät geeignet ist, um physikochemische Informationen aus Materialien abzufragen. Darauf aufbauend wurden SP entwickelt, deren magnetischen Interaktionen aufgrund von thermisch ausgelösten Strukturveränderungen beeinflusst werden. Dies wurde durch die Kombination von SPIONs mit unterschiedlicher Oxidationsempfindlichkeit erreicht, wobei die Oxidation der weniger geschützten SPIONs die Wechselwirkungen der intakten Partikel innerhalb der SPs beeinflusste. Dieser irreversible Mechanismus zeigt, wie SPs als Aufzeichnungselemente fungieren können, indem sie vergangene Umwelteinflüsse erfassen und eine retrospektive Materialdiagnostik ermöglichen.
Der zweite Teil (Kapitel 3.2) befasst sich mit Wechselwirkungen von großer Reichweite (Mikro- bis Zentimeter), insbesondere mit der Ausbildung von Kettenstrukturen aus SP unter Einfluss des Anregungsfeldes. Diese Strukturbildung führt zu anisotropem Magnetverhalten und beeinflusst das MPS-Signal erheblich. Besonders relevant ist die Erkenntnis, dass kurz- und langreichweitige Wechselwirkungen nicht unabhängig voneinander auftreten, sondern sich gegenseitig beeinflussen – und dass diese Kopplung wiederum stark von der Umgebung des Materials, etwa der Viskosität der Matrix, abhängt.
Zusammenfassend liefert diese Arbeit ein umfassendes Verständnis der physikalischen Grundlagen von magnetischen Interaktionen innerhalb und zwischen SP, welche das MPS Spektrum bestimmen. Sie etabliert ein mehrskaliges Modell, das die Struktur der SP, ihre Umgebung sowie ihre Wechselwirkungen berücksichtigt. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen nicht nur als Grundlage für zukünftige Experimente, sondern ebnen auch den Weg für praktische Anwendungen. Magnetische SP könnten künftig als intelligente Additive in Verpackungen, Fälschungsschutzsystemen oder anderen beliebigen Materialien und Objekten eingesetzt werden, die unter Abfrage mittels MPS über ihre Identität und ihren Zustand informieren. Damit leistet diese Dissertation einen Beitrag zur Entwicklung intelligenter Materialien, die aktiv mit ihrer Umwelt interagieren und die Realisierung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft vorantreiben
Interleukin-4-Enhanced Oligodendrocyte Differentiation Depends on Extracellular Zinc Uptake via ZIP11
No full textDifferentiation of oligodendrocytes and myelination are enhanced by interleukin-4, an anti-inflammatory cytokine secreted from immune cells or injured neurons, and peroxisome proliferator-activated receptor γ serves as a central effector. While intracellular zinc concentrations have recently been reported to change dynamically during oligodendrocyte development, the role of zinc in interleukin-4-enhanced oligodendrocyte differentiation has not been studied. Using primary oligodendroglial cells and the oligodendroglial CG4 cell line, we show that intracellular zinc concentrations transiently increased 1 day after interleukin-4-induced differentiation and that intracellular as well as extracellular zinc chelators repressed the interleukin-4-dependent effects. Our analyses furthermore reveal that STAT6 activated the zinc transporter ZIP11 downstream of interleukin-4 in a phosphorylation-dependent manner and that siRNA-dependent knockdown of ZIP11 abolished the interleukin-4-enhanced oligodendrocyte differentiation. An antagonist of peroxisome proliferator-activated receptor γ similarly repressed the interleukin-4-dependent differentiation. However, agonists did not affect intracellular zinc concentrations. These findings indicate that interleukin-4 upregulates ZIP11 expression via activation of STAT6 and facilitates extracellular zinc uptake, which in turn activates peroxisome proliferator-activated receptor γ and thereby promotes oligodendrocytes differentiation. Our results argue that a modulation of zinc concentrations may be beneficial for promoting oligodendrocyte differentiation and remyelination under demyelinating conditions such as multiple sclerosis.This research was funded by an Uehara Memorial Foundation Research Fellowship and the International Medical Research Foundation awarded to T.A.Uehara Memorial Foundation Research FellowshipInternational Medical Research Foundatio
Long-term effectiveness of inpatient and day hospital treatment in departments of psychosomatic medicine and psychotherapy in Germany
No full textBackground There is a lack of reliable data concerning the long-term effectiveness of psychosomatic inpatient and day hospital treatment in a naturalistic setting. The Multicenter Effectiveness Study of Inpatient and Day Hospital Treatment in Departments of Psychosomatic Medicine and Psychotherapy in Germany aims to provide such data. The study itself and effectiveness from admission to discharge have already been reported in this journal (Doering et al., 2023). This brief report adds 12-month follow-up data. Methods The relevant outcome variables concerning somatoform, trauma-related, eating and personality disorders, as well as anxiety and depressive disorders were assessed by means of questionnaires on admission (T0), at discharge (T1) and after 12 months (T2). In order to make targeted statements about effectiveness regarding only clinically relevant symptoms, each symptom domain was stratified by severity at admission. Results From a total of 2,094 patients at admission, 60.6% still provided data at T2. Overall, the changes achieved at discharge (T1) already reported in Doering (2023) remained stable over the 12-month follow-up period (T2). There were hence significant improvements from T0 to T2 across all symptom domains with large effect sizes ranging from d=1.0 to 3.4. Conclusions The already reported effectiveness of inpatient and day hospital treatment in German university departments of Psychosomatic Medicine and Psychotherapy in a naturalistic setting is further strengthened by providing evidence for sustained treatment effects over the 12-month follow-up period. Importantly, the entire spectrum of disorders investigated showed this pattern. Clinical Trial Registration https://drks.de/search/de/trial/DRKS00016412 RKS00016412 , identifier DRKS00016412
Modeling transcriptional RNA polymerase II clusters – formation, morphological changes, and dynamics
No full textFor the proper development of an organism, which requires, among other things,
a correct cell type differentiation, gene expression and an error-free transcription
process are indispensable. Most eukaryotic genes are transcribed by RNA
polymerase II (Pol II), which has two major control points: recruitment to
regulatory regions on chromatin, leading to paused Pol II, and pause release to
transcript elongation. These control steps are associated with the formation of
macromolecular clusters containing recruited Pol II. Although it has been suggested
that the clusters might be formed by liquid-liquid phase separation, the actual
mechanism of formation and interaction with DNA has remained poorly understood.
To investigate this in more detail, we used live and super-resolution microscopy
in zebrafish embryos, which revealed that clusters appear in various sizes and
shapes, depending on the apparent transcriptional activity at the cluster. To
further elucidate the basis of Pol II cluster formation we used these experimental
observations and incorporated a biophysical lattice kinetic Monte-Carlo (LKMC)
model, which revealed the cluster formation to be in line with the physical process
ofsurface condensationonregulatorychromatin. Bymeans ofthechemicalinhibitor
treatments in the experiments and recapitulated in the model, we found out
that recruited Pol II contributes to the condensate formation process on surfaces
provided by regulatory chromatin while elongating Pol II is excluded from these
condensates. In addition, previous work with mouse embryonic stem cells (mESCs)
has shown that the number of Pol II clusters that appear in the nucleus changes
during development. We wanted to check whether a similar behavior could also
be described by the proposed theoretical model. To this end, we used three
experimental models of differentiation and pluripotency exit (mouse embryonic
stem cells, fruit fly sperm precursor cells, and the natural development of zebrafish
embryos). We then used the experimental results to adjust our lattice model, which
captures the same stereotypical phenomenon during development: Pol II clusters
first become larger and rounder, then transition into unfolded shapes, and finally
split into small clusters. These observations can be summarized as a trajectory
in a three-dimensional cluster shape space with recruited Pol II, transcriptional
activity, and available condensation surface as the major coordinate axes. Finally,
the question arises, in how far these macromolecular clusters contribute to the
gene activation in general and how different genes interact with these clusters.
Our experiments have shown that some genes visit clusters and are activated as a
result, but overall, four possible combinations have emerged: visitor and non-visitor,
and activation and non-activation. Overall, this work sheds new light on the
mystery of the RNA polymerase II cluster formation mechanism, the morphological
changesofclustersandtheirinfluencingfactors, andclusterdynamicsincludingtheir
interaction with genes. In the long term, a better understanding of transcription
control by RNA Pol II clusters can help to find ways to prevent transcription errors
that can cause diseases or developmental malformations.Für die optimale Entwicklung eines Organismus, die unter anderem eine korrekte
Zelltypdifferenzierung erfordert, sind die Genexpression und ein fehlerfreier
Transkriptionsprozess unumgänglich. Die meisten eukaryotischen Gene werden
von der RNA-Polymerase II (Pol II) transkribiert, die über zwei wichtige
Kontrollpunkte verfügt: die Rekrutierung an regulatorische Regionen im Chromatin,
was zu einem pausierten Zustand von Pol II führt, und die Entlassung aus
dem pausierten Zustand hin zur Elongation. Diese Kontrollschritte werden mit
der Bildung von makromolekularen Clustern, die rekrutierte Pol II enthalten,
in Verbindung gebracht. Obwohl vermutet wurde, dass die Cluster durch
eine flüssig-flüssig-Phasentrennung gebildet werden könnten, ist der tatsächliche
Mechanismus der Bildung und der Interaktion mit der DNA bisher nur unzureichend
verstanden worden. Um dies genauer zu untersuchen, haben wir live und
hochauflösende Mikroskopie in Zebrafisch Embryonen eingesetzt. Dabei zeigte sich,
dass die Cluster in verschiedenen Größen und Formen auftreten, abhängig von
der offensichtlichen Transkriptionsaktivität an den Clustern. Um die Grundlagen
der Pol II Clusterbildung weiter aufzuklären, haben wir diese experimentellen
Beobachtungen genutzt und ein biophysikalisches lattice kinetic Monte-Carlo
(LKMC) Modell einbezogen, aus dem hervorging, dass die Clusterbildung in
Übereinstimmung mit dem physikalischen Prozess der Oberflächenkondensation auf
regulatorischemChromatininEinklangsteht.DurchdieBehandlungmitchemischen
Inhibitoren in den Experimenten und im Modell haben wir herausgefunden, dass
rekrutierte Pol II zur Bildung von Clustern auf Oberflächen beiträgt, die von
regulatorischem Chromatin bereitgestellt werden, und dass elongierende Pol II von
diesen Kondensaten ausgeschlossen ist. Darüber hinaus haben frühere Arbeiten mit
embryonalen Stammzellen der Maus (mESCs) gezeigt, dass sich die Anzahl der
Pol II Cluster, die im Laufe der Entwicklung im Zellkern entstehen, verändert.
Wir wollten überprüfen, ob ein ähnliches Verhalten auch durch das vorgeschlagene
theoretische Modell beschrieben werden kann. Zu diesem Zweck haben wir drei
experimentelle Modelle für die Differenzierung und den Austritt aus der Pluripotenz
(embryonale Stammzellen der Maus, Spermavorläuferzellen der Fruchtfliege und
die natürliche Entwicklung von Zebrafisch Embryonen) verwendet. Anhand der
experimentellen Ergebnisse haben wir dann unser Gittermodell angepasst, das
dasselbe stereotype Phänomen während der Entwicklung beschreibt: Pol II Cluster
werden zunächst größer und runder, gehen dann in eine entfaltete Form über
und teilen sich schließlich in kleine Cluster auf. Diese Beobachtungen lassen sich
als Trajektorie in einem dreidimensionalen Clusterformraum mit rekrutiertem Pol
II, Transkriptionsaktivität und verfügbarer Oberfläche als Hauptkoordinatenachsen
zusammenfassen. Schließlich stellt sich die Frage, inwieweit diese makromolekularen
ClusterzurGenaktivierungimAllgemeinenbeitragenundwieverschiedeneGenemit
diesen Clustern interagieren. Unsere Experimente haben gezeigt, dass einige Gene
die Cluster besuchen und dadurch aktiviert werden, aber insgesamt haben sich vier
mögliche Kombinationen herauskristallisiert: Besucher und Nicht-Besucher sowie
Aktivierung und Nicht-Aktivierung. Insgesamt wirft diese Arbeit ein neues Licht
auf das Geheimnis des Bildungsmechanismus von RNA-Polymerase II Clustern,
die morphologischen Veränderungen von Clustern und ihre Einflussfaktoren sowie
die Clusterdynamik einschließlich der Interaktion mit Genen. Langfristig kann
ein besseres Verständnis der Transkriptionskontrolle durch RNA-Pol II Cluster
dazu beitragen, Wege zur Vermeidung von Transkriptionsfehlern zu finden, die
Krankheiten oder andere Fehlbildungen während der Entwicklung verursachen
können
Identifikation krankheitsspezifischer biomechanischer Marker der Handfunktion bei entzündlicher Arthritis
No full textBackground and aims. Rheumatoid arthritis (RA) and psoriatic arthritis (PsA) are among the two most prevalent in-flammatory joint diseases. These chronic diseases are characterised by relapsing joint inflam-mation, which can result in progressive joint damage and physical impairment, particularly in the hands. Despite the relevance of hand function in daily life, its comprehensive and objective assessment is not integrated into clinical routine. The aim of this cumulative doctoral thesis was to identify and quantify hand function impairments in patients with inflammatory arthritis.
Methods. This thesis includes three publications based on cross-sectional studies involving patients with RA, PsA, psoriasis (PsO), and healthy controls. A multi-modal approach was used, combining conventional hand function tests with the assessment of hand segment kinematics using an op-toelectronic motion capture system (OMS). Additionally, clinical assessments included the quantification of concurrent hand inflammation (tender/swollen joint count, ultrasonography), standard composite scores of disease activity (Disease Activity Score 28, DAS28 for RA; Dis-ease Activity in Psoriasis Arthritis, DAPSA for PsA), serology, and patient-reported outcome measures of disability and disease burden. Distinct biomechanical markers of performance and motion during various hand function tests were assessed. Linear mixed-effects models, adjusted for known confounders such as age and biological sex, were employed to analyse differences between groups and their associations with disease activity, concurrent hand inflammation and extracellular matrix (ECM) biomarkers.
Results and observations. Conventional hand function tests revealed significant impairments in grip strength and fine mo-tor skills in RA and PsA patients compared to healthy controls, with more pronounced deficits observed in female patients, even in the absence of acute hand inflammation. The associations between disease activity and hand function were predominantly found in the dynamic grip strength test. OMS analysis demonstrated specific motor deficits in RA patients, particularly during the grasping phase of a fine motor skill test. Serological analysis showed that PsA and PsO patients had elevated levels of several ECM remodelling biomarkers compared to RA pa-tients and healthy controls. The strongest correlations with hand function were observed in PsO patients, suggesting that ECM dysregulation may contribute to early functional decline, even before arthritis onset.
Conclusions and discussion. Hand function is consistently impaired in RA and PsA, is influenced by sex and disease activity and cannot fully be explained by acute hand inflammation. Incorporating hand function into clinical assessments provides valuable insights into disease burden and has the potential to fa-cilitate the early identification of patients at risk of developing inflammatory diseases and long-term disabilities. These findings support the importance of objectively evaluating hand function to foster a personalised approach to disease monitoring
En-Gender! Volume 8
No full textHow can public policies on women's health in Brazil be effective in protecting the
reproductive health of women and adolescents? In Brazil, the rate of teenage pregnancy
and maternal death is far above the global average. Every day, approximately 930 girls
become mothers, and the issue of race is also highlighted. In 2020, out of the total live
births from Indigenous mothers, 28.2% were from adolescent mothers, and among
births of black women, 13% were from adolescent mothers. It is also an
intersectionality issue that enforces reproductive injustice in Brazil. Even in Brazil,
107.53 maternal deaths occur per 100,000 live births. One of the main causes of
maternal death is hemorrhage, followed by unsafe abortion and puerperal infection.
Regarding Brazil, it is possible to infer that the lack or ineffectiveness of public policies
for female sexual and reproductive health results in high rates of teenage pregnancy
and maternal deaths, which stem from misinformation, socioeconomic inequalities, and
the lack of responsibility and solidarity of state apparatuses that are meant to offer
protection to citizens. This could represent a form of necropolitics targeting women,
particularly Black and Indigenous women. Therefore, the importance of a critical
debate that seeks to highlight the ineffectiveness of such policies for the protection of
life and overcoming social and gender inequalities in Brazil, which we call reproductive
injustice, is evident
Optimierung der Trajektorien und Ressourcenzuweisung für drohnengestützte synthetische Apertur-Radar-Sensorik
No full textClimate change has become an urgent global reality, primarily driven by unsustainable human activities. As global temperatures rise, the frequency and severity of natural disasters, such as floods and extreme weather events, continue to escalate. To effectively monitor climate change and respond to the growing emergencies, high-resolution radar imaging and robust communication systems are needed. However, traditional solutions, such as satellite-based synthetic aperture radar (SAR) imaging, are costly, inflexible, and unable to track rapidly changing phenomena in real-time. In this context, unmanned aerial vehicles (UAVs) equipped with SAR antennas present a highly promising alternative. Drones can deliver precise and timely imaging of target areas and establish wireless communication links when needed. This makes them a flexible and cost-effective solution not only for climate monitoring and emergency response, but also for applications in agriculture, traffic control, and public safety. This thesis explores the use of communication-assisted UAV-SAR systems for two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) imaging applications by studying advanced trajectory and resource allocation designs. The main contributions of this thesis are summarized below.
The first contribution focuses on monostatic UAV-based SAR sensing for the generation of 2D SAR images, where a single rotary-wing drone is deployed over a target area. The proposed system model accounts for potential trajectory deviations due to external factors and incorporates a real-time SAR capability by enabling data offloading via a ground communication link. The trajectory and resource allocation are jointly optimized to maximize the radar coverage while satisfying sensing, communication, and energy constraints. To this end, a low-complexity sub-optimal algorithm based on alternating optimization (AO) and successive convex approximation (SCA) is proposed. The simulation results demonstrate that the proposed scheme achieves near-optimal performance with low complexity and is robust to trajectory deviations, outperforming several other benchmark schemes. Additionally, the interaction between sensing and communication is explored and the impact of drone battery constraints on the total SAR coverage is analyzed.
The second contribution investigates single-baseline SAR interferometry (InSAR) where two UAV-SAR systems are deployed simultaneously to enable the creation of accurate 3D digital elevation models (DEMs) of the ground. Both drones offload their data to the ground in real time via frequency-division multiple access (FDMA) communication links. To assess the sensing performance, InSAR-specific performance metrics are used, such as coherence, height of ambiguity, InSAR coverage, and relative height error. Based on this, the UAV formation and resource allocation are jointly optimized to maximize the InSAR coverage while ensuring InSAR, communication, and energy constraints. A novel hybrid AO-based algorithm that leverages stochastic, monotonic, and convex optimization is proposed. The proposed algorithm benefits from a low computational complexity while avoiding low-quality solutions due to its step size, implemented and tuned to improve the algorithm efficiency. The proposed scheme is compared to a conventional AO algorithm as well as other benchmark schemes and proves its superior performance, attributed to the joint optimization of the radar placement as well as the design of an efficient resource allocation scheme for both UAVs.
The last contribution of this dissertation addresses the general case of multi-baseline InSAR interferometry, where multiple UAV-SAR platforms are deployed, and the resulting DEMs are fused into a single high-precision DEM using weighted averaging techniques. The UAV formation and resource allocation are jointly optimized to minimize the relative height error of the averaged DEM, while satisfying several constraints, such as the minimum required downlink data rate, collision avoidance among drones, and InSAR phase unwrapping reliability. The original problem is divided into three sub-problems, which are iteratively optimized using AO. The proposed scheme demonstrates significant improvement over single-baseline InSAR systems and outperforms other benchmark schemes in terms of the final DEM precision. The numerical simulations show that a static communication power allocation may be infeasible for the problem. Furthermore, tradeoffs between sensing and communication requirements are analyzed and, more importantly, their impact on the accuracy of the final DEM is unveiled
Deep Learning und traditionelles Machine Learning für medizinische Diagnostik
No full textThis thesis investigates machine learning techniques, specifically traditional machine learning and deep learning, to improve diagnostic accuracy, interpretability, and computational efficiency in healthcare applications. It addresses tasks such as multi-modal breast cancer diagnosis, Alzheimer’s Disease (AD) diagnosis, depression detection in AD patients, and functional outcome prediction after endovascular thrombectomy following an acute ischemic stroke.
This work employs Generative Adversarial Networks (GANs) to augment digital mammography images, focusing on intra- and cross-modality synthesis. Results indicate that GAN-generated data enhances model performance within a single modality, though challenges remain in preserving diagnostic features during cross-modality synthesis.
Additionally, the thesis introduces ForestNet, a hybrid model that integrates Decision Tree Ensembles with Artificial Neural Networks to enhance interpretability without sacrificing predictive power. The tree-based structured sparsity of ForestNet enables it to focus on clinically relevant features, making it computationally efficient and suitable for resource-limited environments. Evaluated on diverse datasets, ForestNet shows promising results on non-visual healthcare data, providing a unified tool for high accuracy and interpretability. While its applicability is limited in complex visual data, it achieves high accuracy on simpler visual data (e.g., MNIST). Moreover, enforcing its structured sparsity during training demonstrates regularizing properties when ForestNet is used as the classification head of Convolutional Neural Networks.
This thesis establishes a foundation for developing interpretable, efficient, and reliable AI tools in healthcare. Since interpretability fosters clinician trust, this work advances ethical AI practices and responsible AI integration in healthcare
Kultivierung von mesenchymalen Stromazellen aus der Nabelschnur unter hypoxischen Bedingungen
No full textHintergrund und Ziele
Humane mesenchymale Stromazellen (hMSCs) werden hauptsächlich invasiv aus Knochenmark extrahiert. Alternativ ist eine potenzielle Quelle für hMSCs das Nabelschnurgewebe, welches nach Geburten in den meisten Fällen verworfen wird. In dieser Studie wurden MSCs aus dem humanen Wharton-Gelee der Nabelschnur (hWJ-MSCs) im normoxischen (20% Sauerstoff) und im natürlich nachgeahmten hypoxischen Milieu (5% Sauerstoff) kultiviert. Ziel dieser Studie war es, den Effekt von Hypoxie vor allem im Hinblick auf die mögliche Zellausbeute und die Effizienz in Bezug auf die Zellvermehrung der MSC- Kulturen aus menschlichem Nabelschnurgewebe zu untersuchen.
Material und Methoden
Es wurden hWJ-MSCs aus fünf unterschiedlichen Nabelschnurgeweben entnommen und sowohl bei 20% O2 als auch bei 5% O2 bis zur achten Passage (P8) kultiviert. Während der Kultivierung wurde die Wachstumsrate überprüft. Die MSC-Kulturen wurden für diese Studie in drei Passagen P1, P5 und P8 genauer untersucht. Dies erfolgte anhand einer Genexpressionsanalyse in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentrationen mithilfe der Next-Generation-Sequencing-Technologie. Der Vergleich wurde bei der Genexpressionsanalyse aufgrund der individuellen Genetik des Spendermaterials nur bei hWJ-MSC-Zellkulturen einer Nabelschnur und deren Passagen in Abhängigkeit der Sauerstoffbedingungen durchgeführt. Folgende 22 Gene wurden analysiert: HIF1A, ARNT, EP300, LDHA, PDK1, PGK1, BMP1, BMP4, FGF1, FGF2, FGFR1, FGFR2, SOX9, CTGF, VEGFA, FLT-1, KDR, MIR-21, NOTCH2,
NOTCH3, JAG1 und MYC. Zudem wurden die hWJ-MSCs während ihrer Kultivierung bezüglich ihres Wachstumsverhaltens bei verschiedenen Umgebungsbedingungen erforscht. Um hWJ-MSCs aus einer heterogenen Population zu identifizieren, wurden die hWJ-MSCs unter diesen Bedingungen in Bezug auf bestimmte Oberflächenmarker wie SSEA4, GD2 und CD271 mithilfe der Durchflusszytometrie beleuchtet.
Ergebnisse
Die hWJ-MSCs-Zellkulturen zeigten unter hypoxischen Kultivierungsbedingungen eine höhere kumulative und hypothetische Gesamtzahl, einen höheren Mittelwert der Wachstumsrate und einen größeren Wachstumsfaktor in der Passage 8. Unter Hypoxie war der Anteil an SSEA4- positiven hWJ-MSCs in allen untersuchten Passagen größer. Hingegen war der prozentuale Anteil an GD2-positiven hWJ-MSCs in der Passage 1 unter normoxischen Bedingungen höher und in den Passagen 5 und 8 unter Hypoxie erhöht. Der Oberflächenmarker CD271 wurde kaum exprimiert. Insgesamt zeigten bei der Vergleichs-Genexpressionsanalyse vier Gene - HIF1A, FGF2, KDR, FLT-1 – eine negative Expression, dabei waren HIF1A und FLT-1 signifikant herunterreguliert. Es gab insgesamt 12 signifikant hochregulierte Gene - BMP4, CTGF, MIR-21, NOTCH2, NOTCH3, FGFR1, FGFR2, LDHA, PDK-1, PGK1, SOX9 und VEGFA. In sechs Genen - ARNT, BMP1, MYC, EP300, FGF1 und JAG1 - zeigte sich eine überwiegend erhöhte Expression ohne signifikanten Unterschied. In den Ergebnissen war der Vascular Endothelial Growth Factor A (VEGFA) signifikant hochreguliert, die VEGF-
Rezeptoren (KDR und FLT-1) hingegen herunterreguliert. Dabei war FLT-1 signifikant herunterreguliert.
Schlussfolgerungen
Es konnten hMSCs aus Nabelschnurgewebe erfolgreich extrahiert und kultiviert werden. Somit stellt das Wharton-Gelee aus dem menschlichen Nabelschnurgewebe eine gute Option für die Gewinnung von MSCs dar. Die Oberflächenmarker SSEA4 und GD2 zeigten sich als geeignet für hMSCs aus Nabelschnurgewebe, wohingegen sich der Marker CD271 als ungeeignet für die Identifizierung von hMSCs aus der Nabelschnur herausstellte. Hypoxische Bedingungen führten zu einer verstärkten Genexpression von Genen, die mit der Angiogenese, der
Chondrogenese, der Osteogenese, einem optimierten Stoffwechsel mit einhergehender Genstabilität und der Proliferation assoziiert sind. Aufgrund der Genanalyse, einer erhöhten Gesamtanzahl, einer höheren Wachstumsrate und des Oberflächenmarkers GD2, der durch
die Durchflusszytometrie identifiziert wurde, konnte eine erhöhte Proliferation von hWJ-MSCs unter Hypoxie bestätigt werden. Insgesamt scheint eine Kultivierung von hWJ-MSCs bei 5% O2 bis zur Passage 8 in Bezug auf die Zellausbeute und die Effizienz der hWJ-MSCs für therapeutische Anwendungen vorteilhaft zu sein
The effect of continuous vs. intermittent protocols during small-sided games in soccer on physiological, physical, technical and tactical performance
No full textSmall-sided games (SSG) are a common part of the soccer practice and coaching regularly utilize continuous (CSSG) or intermittent games (ISSG). Interestingly, players enjoy the CSSG format to a greater extent, whilst experiencing greater individual perceived exertion (RPE) and higher blood lactate concentration. CSSG reported a decrease in maximal and average heart rate and lower time spent in high heart rate zones (>90% maximum heart rate). Players experienced lower physical strain during CSSG. Variables associated with higher external load such as total distance, total number of sprints, and distances in high-intensity speed thresholds (>14.4 km/h) as well as player load and acceleration variables decreased during CSSG. Little research opposes this idea reporting increased physical demands with the identical variables. The technical performances of players in the two different regimes showed also significant differences. The CSSG reported lower technical engagement (decreased ball involvement, number of dribbling and interceptions). However, yet displaying greater technical efficiency (lower percentage of lost balls, greater percentage successful passes). There is no scientific evidence with regards to tactical differences between the CSSG and ISSG. Depending on the time in the season and the level of players, coaches should favor ISSG promoting greater physical and technical development.The author(s) declare that no financial support was received for the research and/or publication of this article