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Diagnostic features in paediatric MDS‐EB with UBTF‐internal tandem duplication: defining a unique subgroup
Get PDFAim Tandem‐duplications of the UBTF gene ( UBTF ‐TDs) have recently been identified as a new genetic driver in young individuals with acute myeloid leukaemia (AML) and myelodysplastic syndrome (MDS). Disease in these newly defined subgroups is characterized by poor response to standard intensive chemotherapy and inferior survival of the affected patients. However, a thorough analysis of bone marrow histomorphology of UBTF ‐mutated neoplasia has not been undertaken thus far. Methods and results In this retrospective study, we investigated the characteristic histopathological features of a cohort comprising 14 paediatric MDS patients with an excess of blasts (MDS‐EB) and UBTF ‐TD. Bone marrow biopsies from these patients revealed hypercellularity and severe dysplasia across all three haematopoietic lineages. In particular, a marked hyperplastic megakaryopoiesis characterized by the presence of frequent micromegakaryocytes and a high number of monolobulated cells forming small clusters was observed. Additionally, erythropoiesis was left‐shifted, with numerous blastoid precursors. The granulopoietic precursors displayed prominent UBTF‐positive nucleoli. Conclusion The unique combination of these histomorphological features strongly suggests a possible UBTF aberration. It will allow initiating the appropriate genetic testing to confirm the presence of UBTF ‐TD and identify potential additional genetic alterations. Such molecular profiling will not only contribute to a better understanding of the disease mechanism, but also facilitate more rational treatment approaches for these high‐risk paediatric MDS patients.Distinctive histopathological features of paediatric MDS with UBTF ‐TD include hyperplastic myelopoiesis with severe atypia, frequent micromegakaryocytes, and immature erythropoiesis with circulating normoblasts. These findings may aid in the early diagnosis and guide targeted molecular testing and treatment strategies, which are critical to improving patient outcomes. imag
Osmotic pressure induces unexpected relaxation of contractile 3D microtissue
Get PDFCell contraction and proliferation, matrix secretion and external mechanical forces induce compression during embryogenesis and tumor growth, which in turn regulate cell proliferation, metabolism or differentiation. How compression affects tissue contractility, a hallmark of tissue function, is however unknown. Here we apply osmotic compression to microtissues of either mouse colon adenocarcinoma CT26 cells, mouse NIH 3T3 fibroblasts, or human primary colon cancer-associated fibroblasts. Microtissues are anchored to flexible pillars that serve as force transducers. We observe that low-amplitude osmotic compression induces a rapid relaxation of tissue contractility, primed by the deformation of the extracellular matrix. Furthermore, we show that this compression-induced relaxation is independent of the cell type, proportional to the initial tissue contractility, and depends on RhoA-mediated myosin activity. Together, our results demonstrate that compressive stress can relax active tissue force, and points to a potential role of this feedback mechanism during morphogenetic events such as onco- or embryogenesis. Graphical abstract Schematic of osmotic pressure-induced relaxation of contractile microtissuesLabEx Who Am I?Initiatives d’ExcellenceInitiative d'ExcellenceH2020 Marie Skłodowska-Curie Actionshttp://dx.doi.org/10.13039/100010665ITMO Cancer of AviesanAgence Nationale de la Recherchehttp://dx.doi.org/10.13039/501100001665CNR
CHIR99021 Promotes hiPSC-Derived Cardiomyocyte Proliferation in Engineered 3D Microtissues
Get PDFCardiac tissue engineering is a promising strategy to generate human cardiac tissues for modeling cardiac diseases, screening for therapeutic drugs, and repairing the injured heart. Yet, several issues remain to be resolved including the generation of tissues with high cardiomyocyte density. Here, it is shown that the integration of the glycogen synthase kinase-3β inhibitor CHIR99021 in collagen I hydrogels promotes proliferation of human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CM) post-fabrication improving contractility of and calcium flow in engineered 3D cardiac microtissues. CHIR99021 has no effect on the gelation kinetics or the mechanical properties of collagen I hydrogels. Analysis of cell density and proliferation based on Ki-67 staining indicates that integration of CHIR99021 together with external CHIR99021 stimulation increases hiPSC-CM number by ≈2-fold within 7 days post-fabrication. Analysis of the contractility of engineered cardiac tissues after another 3 days in the absence of external CHIR99021 shows that CHIR99021-induced hiPSC-CM proliferation results in synchronized calcium flow, rhythmic beating, increased speed of contraction and contraction amplitude, and reduced peak-to-peak time. The CHIR99021-stimulated engineered cardiac microtissues exhibit spontaneous rhythmic contractions for at least 35 days. Collectively, the data demonstrate the potential of induced cardiomyocyte proliferation to enhance engineered cardiac microtissues by increasing cardiomyocyte density
Monozyten-Phänotypen und ihr Beitrag zur intestinalen Wundheilung
Get PDFInflammatory bowel disease (IBD) is a chronically relapsing inflammatory disorder of the gastrointestinal tract with an increasing prevalence worldwide. Patients suffering from IBD have a substantially reduced quality of life due to abdominal, but also extraintestinal symptoms. So far, there is no cure available and therapeutic options are insufficient as many patients do not respond or lose their responsiveness
to treatment. Although the pathogenesis of IBD is not fully understood, a dysregulation of the immune system is a key characteristic. Increasing evidence suggests that mononuclear phagocytes play an important role. Monocytes and intestinal macrophages are important innate immune cells that are involved in tissue homeostasis and inflammatory response. They are promising therapeutic approaches as
they are central in the process of wound healing and closing mucosal defects in order to reach mucosal healing is an important goal of IBD therapy. However, studying monocytes and intestinal macrophages presents a unique challenge due to their heterogeneity, plasticity and dynamic behavior. In order to better understand the disease and to identify potential leverage points for future therapeutic intervention,
it is important to fully characterize these immune cells and their function. Therefore, the work presented in this thesis aims to gain new insights in the role of monocytes and macrophages in general and especially in intestinal wound healing.
First, we investigated the relevance of non-classical monocytes (NCM) in intestinal wound healing using nuclear receptor subfamily 4 group A member 1 (NR4A1)-deficient mice. Besides the well-known effect of NR4A1 on the survival and development of NCM, we were able to show that wound healing is delayed in NR4A1-deficient mice, which is also associated with a reduced peri-lesional presence of
M2-like macrophages. In the second part of this thesis, we investigated the effects of the anti-β7 integrin antibody Etrolizumab on monocytes and intestinal wound healing. Furthermore,
we compared the effects of sole anti-α4β7 integrin blockade by Vedolizumab to the blockade of β7 integrin. Our data suggest that NCM are targeted by Etrolizumab, which delays intestinal wound healing and reduces the peri-lesional presence of M2-like macrophages in mice. This effect was increased during anti-β7 treatment compared to anti-α4β7 treatment, indicating an additional effect of αEβ7. Moreover,
also in patients with Crohn’s disease (CD) treated with Etrolizumab, M2-like macrophage signatures were downregulated. The last part of this thesis focuses on the classification of classical monocytes
(CLM) and NCM in mice. We challenged the conventional monocyte phenotyping concept based on the inverse surface expression of CX3C motif chemokine receptor 1 (CX3CR1) and chemokine receptor (CCR)2/lymphocyte antigen 6C (Ly6C), by comparing antibody staining and fluorescent reporter mouse models. We analyzed the expression of CX3CR1 and CCR2 by flow cytometry using several validated
fluochrome-coupled antibodies and compared them with the reporter gene signal of Cx3cr1 GFP and Ccr2 RFP reporter mice, respectively. We observed no differences in CX3CR1 expression in Ly6Chigh CLM and Ly6Clow NCM when stained with antibodies, while we were able to reproduce the inverse correlation of CX3CR1 reporter gene signal and Ly6C surface expression. Interestingly, the same experiments in
Ccr2 RFP mice revealed opposite results. Using fluochrome-coupled antibodies we were able to show a correlation between CCR2 and Ly6C, while this was not the case with the reporter fluorescence signal.
Collectively, the work presented in this thesis advances our knowledge of monocytes and monocyte-derived macrophages in the gut during homeostasis and inflammatory conditions, paving the way for the future development of innovative therapeutic approaches for the treatment of IBD.Chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED) sind chronisch rezidivierende entzündliche Erkrankungen des Magen-Darm-Trakts mit weltweit zunehmender Prävalenz. Die Lebensqualität der Betroffenen ist dabei stark eingeschränkt. Bislang gibt es keine Heilung, und die Behandlungsmöglichkeiten sind nicht ausreichend, da viele Patienten nicht auf die Therapie ansprechen oder ihr Ansprechen wieder verlieren. Obwohl die Pathogenese noch nicht vollständig geklärt ist, wird eine Fehlregulation des Immunsystems beobachtet. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass mononukleäre Phagozyten dabei eine wichtige Rolle spielen. Monozyten und intestinale Makrophagen sind wichtige Zellen des angeborenen Immunsystems, die sowohl an der Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase als auch an der Entstehung von Entzündungsreaktionen beteiligt sind. Da sie eine zentrale Rolle bei der Wundheilung spielen und der Verschluss von Schleimhautdefekten ein wichtiges Therapieziel bei CED ist, stellen sie einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz dar. Die Untersuchung von Monozyten und intestinalen Makrophagen stellt jedoch aufgrund ihrer Heterogenität, Plastizität und ihrer Dynamik eine besondere Herausforderung dar. Um das volle Potential dieser Immunzellen ausschöpfen zu können, ist es wichtig, diese vollständig zu charakterisieren und ihre Funktionen besser zu verstehen. Daher ist das Ziel dieser Dissertation, neue Erkenntnisse über die Rolle von Monozyten und Makrophagen im Allgemeinen und speziell in der intestinalen Wundheilung zu gewinnen.
Zunächst untersuchten wir die Bedeutung von nicht-klassischen Monozyten in der intestinalen Wundheilung anhand von NR4A1-defizienten Mäusen. Neben dem bekannten Effekt von NR4A1 auf das Überleben und die Entwicklung von nicht-klassischen Monozyten konnten wir zeigen, dass die Wundheilung bei NR4A1-defizienten Mäusen verzögert ist, was auch mit einer reduzierten periläsionalen Präsenz von M2-ähnlichen Makrophagen verbunden ist. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchten wir die Auswirkungen des anti-β7 Integrin Antikörpers Etrolizumab auf Monozyten und die intestinale Wundheilung. Außerdem verglichen wir die Auswirkungen einer alleinigen anti-α4β7 Integrin-Blockade mit der allgemeinen Blockade des β7 Integrins. Unsere Daten deuten darauf hin, dass nicht-klassische Monozyten ein Target von Etrolizumab sind. Es konnte gezeigt werden, dass Etrolizumab die intestinale Wundheilung verzögert und die periläsionale Präsenz von M2 Makrophagen bei Mäusen reduziert war. Diese Beobachtungen
waren während der Behandlung mit anti-β7 signifikant stärker ausgeprägt als bei der Behandlung mit anti-α4β7. Darüber hinaus wurden auch bei Patienten mit Morbus Crohn, die mit Etrolizumab behandelt wurden, eine Herabregulation von M2 Makrophagen-Signaturen beobachtet. Der letzte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Klassifizierung von klassischen und nicht-klassischen Monozyten in Mäusen. Wir stellten das herkömmliche Konzept zur Phänotypisierung von Monozyten auf Basis der inversen Oberflächenexpression von CX3CR1 und CCR2/Ly6C in Frage, indem wir Antikörperfärbungen und Fluoreszenzreportersignale verglichen. Die Expression von CX3CR1 und CCR2 wurde mittels Durchflusszytometrie unter Verwendung mehrerer validierter fluochromgekoppelter Antikörper analysiert und mit dem Reportergensignal von Cx3cr1 GFP bzw. Ccr2 RFP-Reportermäusen verglichen. Wir beobachteten keine Unterschiede in der CX3CR1-Expression in klassischen und nicht-klassischen Monozyten, wenn sie
mit Antikörpern gefärbt wurden, während wir in der Lage waren, die inverse Korrelation zwischen dem CX3CR1-Reportergensignal und der Ly6C-Oberflächenexpression zu reproduzieren. Interessanterweise ergaben die gleichen Experimente bei Ccr2 RFP Mäusen gegenteilige Ergebnisse. Mit fluochromgekoppelten Antikörpern konnten wir eine Korrelation zwischen CCR2 und Ly6C nachweisen, während dies bei dem
Reporter-Fluoreszenzsignal nicht der Fall war.
Zusammenfassend trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis von Monozyten und ihnen abstammenden Makrophagen im Darm bei, sowohl in der Homöostase als auch im Kontext von Entzündungsreaktionen. Durch diese Erkenntnisse scheint die Entwicklung zukünftiger innovativer therapeutischer Ansätze zur Behandlung von CED möglich
Dynamische Traktionskräfte in Einzelzellen und Zellverbänden
Get PDFCells exert contractile forces to sense and interact with their environment. These forces facilitate many essential biological processes such as cell division or cell migration, while dysfunctional force generation is associated with diseases such as fibrosis or cancer. To study such biological processes, it is therefore necessary to quantify the forces generated by the cells. Traction force microscopy methods can measure these forces from experimental imaging data by detecting matrix deformations and reconstructing the cellular forces from these deformations using an appropriate material model. However, despite growing interest in cellular mechanics and cell-matrix interactions, the complexity of measuring cellular forces in nonlinear elastic 3D tissue matrices such as collagen and fibrin severely limits the applicability of traction force measurements. In this thesis, I present several methods for measuring the dynamic forces of cells and multicellular assemblies in 3D biopolymer matrices, and further apply these methods to study the role of cell-generated forces in different biological
processes.
The first part of the thesis focuses on the role of mechanical forces during immune cell migration. Immune cells must migrate through dense connective tissue to reach their target, such as a site of inflammation or a tumor. During tissue infiltration, immune cells are thought to migrate with low matrix adhesion and with low or no traction forces. To test this assumption, I present a 3D traction force method that allows for studying the force generation of fast-moving immune cells during migration in type I collagen matrices. The method reconstructs cell-generated forces from the observed matrix deformations with high accuracy, even when the deformation field is only partially imaged, and without the need to identify the cell surface. This method reveals that natural killer (NK) cells can generate bursts of large traction forces (~50 nN) that increase with matrix stiffness. These force bursts are driven by myosin contractility and are mediated by integrin adhesions, focal adhesion kinase activity, and Rho kinase activity. Large forces primarily occur when cells migrate through narrow collagen pores, suggesting that immune cells can switch to a mesenchymal-like migration mode to move through dense collagen pores. I further demonstrate the broad applicability and high sensitivity of the method over a wide range of time-, length-, and force scales, from neuronal cells (~1 nN) to intestinal organoids (~10 μN).
The remainder of the thesis focuses on situations where large object sizes or long image acquisition times are limiting the applicability and throughput of 3D traction force measurements. To overcome these limitations, I develop different methods to exploit geometric symmetries or proxy readouts to simplify 3D force measurement in these situations.
The second part of this thesis presents a force microscopy method to measure the contractility of isolated heart or skeletal muscle fibers. Research on muscle function typically involves force measurements of whole muscle preparations. Here, I develop a method to measure the forces of individual muscle fibers that are dissected from whole muscle preparations, embedded in 3D biopolymers, and electrically stimulated. By exploiting the geometric symmetry of approximately cylindrical muscle fibers, the force reconstruction can be simplified, thereby allowing force measurements at a frequency of 2 kHz and significantly increasing the measurement throughput. Similar to whole muscle preparations, this method allows for drug screening measurements of contractile force or cytosolic calcium, with the advantage of obtaining data from hundreds of individual fibers, instead of a single muscle sample from one animal.
The third part of this thesis introduces a method to study the collective forces of multicellular assemblies in 3D biopolymers. During development, wound healing, or cancer progression, cells coordinate their behavior and migration in a collective manner, involving mechanical and chemical feedback between cells and the surrounding matrix. To study such collective cell behavior, multicellular assemblies such as spheroids or organoids can be used as biological model systems. However, measuring biomechanical properties of multicellular assemblies in 3D matrices is challenging. For example, the extensive matrix deformations by large tumor spheroids can often only be partially imaged, and the acquisition time further limits measurements with high temporal resolution or large sample sizes.
By exploiting the spherical symmetry of spheroids, I create finite-element-based materialspecific look-up tables that allow reconstructing the contractile forces of arbitrarily sized spheroids. These tables determine the spheroid forces based on the amplitude of a matrix deformation and its distance from the spheroid, measured at any point around the spheroid and normalized to the spheroid size. This approach allows for dynamic force measurements from timelapse images in a single equatorial plane around the spheroid using simple brightfield microscopy, thereby increasing measurement throughput or temporal resolution.
I apply this method to study the collective force generation of spheroids from human mammary fibroblasts in 3D collagen matrices. Similar to the prior observations of force fluctuations in immune- and neuronal cells, individual cells within a spheroid synchronize their force generation, resulting in collective force oscillations at intervals of 30 min. I then test if such force oscillations arise from mechanical feedback between cells and the surrounding matrix. In line with this hypothesis, I find that the force oscillations are mechanically transmitted between spheroids over long distances (up to 2 mm) through 3D collagen. Moreover, drug treatment experiments show that force oscillations originate from integrin-mediated feedback in the actin protrusions and are modulated by the ERK signaling pathway.
Finally, I present a method for qualitatively estimating cellular forces by measuring the density and orientation of matrix fibers around cells embedded in 3D fiber networks. Experiments and simulations of contractile cells in fiber matrices show that these quantities can be interpreted as indirect measures of cell contractility and are also sensitive to resolve druginduced changes. Compared to conventional traction force measurements, this method does not require finite-element simulations, rheological characterization of the matrix, or repeated imaging of the matrix in a reference state where the cells do not exert any force.
In summary, this thesis presents a novel 3D traction force microscopy method with high accuracy and broad applicability over a wide range of time-, length-, and force scales, as well as several specialized approaches that simplify the measurement of cell-generated forces in specific systems. In addition, I apply these methods to investigate dynamic forces and their mechanosensitive regulation in various biological processes, including immune cell migration and collective cell behavior in spheroids.Zellen üben kontraktile Kräfte aus, um ihre Umgebung wahrzunehmen und mit ihr zu interagieren. Diese Kräfte ermöglichen viele wichtige biologische Prozesse wie Zellteilung oder Zellmigration, während eine gestörte Krafterzeugung mit Krankheiten wie Fibrose oder Krebs in Verbindung gebracht wird. Um solche biologischen Prozesse zu untersuchen, ist es daher notwendig, die von den Zellen erzeugten Kräfte zu quantifizieren. Die Methode der Traktionskraftmikroskopie ermöglicht es, diese Kräfte aus experimentellen Bilddaten zu messen, indem Matrixdeformationen detektiert und aus diesen Deformationen mit Hilfe eines geeigneten Materialmodells die Zellkräfte rekonstruiert werden. Trotz des wachsenden Interesses an Zellmechanik und Zell-Matrix Wechselwirkungen schränkt die Komplexität der Messung zellulärer Kräfte in nichtlinear elastischen 3D Gewebematrizen wie Kollagen und Fibrin die Anwendbarkeit solcher Traktionskraftmessungen stark ein. In dieser Arbeit stelle ich mehrere Methoden zur Messung der dynamischen Kräfte von Zellen und multizellulären Verbänden in 3D Biopolymernetwerken vor und wende diese an, um die Rolle zellulärer Kräfte in verschiedenen biologischen Prozessen zu untersuchen.
Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Rolle mechanischer Kräfte bei der Migration von Immunzellen. Immunzellen müssen durch dichtes Bindegewebe wandern, um ihr Ziel zu erreichen, z.B. einen Entzündungsherd oder einen Tumor. Dabei wird angenommen, dass Immunzellen während der Gewebeinfiltration mit geringer Matrixadhäsion und mit geringen oder keinen Traktionskräften migrieren. Um diese Hypothese zu überprüfen, stelle ich eine Methode für 3D Traktionskraftsmikroskopie vor, mit der die Krafterzeugung von sich schnell bewegenden Immunzellen während der Migration in Typ-I Kollagenmatrizen untersucht werden kann. Die Methode rekonstruiert die von den Zellen erzeugten Kräfte aus den beobachteten Matrixdeformationen mit hoher Genauigkeit, selbst wenn das Deformationsfeld nur teilweise abgebildet wird, und ohne dass die Zelloberfläche identifiziert werden muss. Die Methode zeigt, dass natürliche Killerzellen (NK-Zellen) in der Lage sind, phasenweise große Traktionskräfte (~50 nN) zu erzeugen, die mit der Steifigkeit der Matrix zunehmen. Diese Kräfte werden durch Myosinkontraktilität erzeugt und durch Integrinadhäsion, fokale Adhäsionskinaseaktivität und Rho-Kinaseaktivität vermittelt. Große Kräfte treten vor allem dann auf, wenn Zellen durch enge Kollagenporen migrieren, was darauf hindeutet, dass Immunzellen in einen mesenchymalen Migrationsmodus wechseln können, um sich durch dichte Kollagenporen zu bewegen. Darüber hinaus demonstriere ich die breite Anwendbarkeit und hohe Sensitivität der Methode über einen weiten Bereich von Zeit-, Längen-, und Kraftskalen, von neuronalen Zellen (~1 nN) bis zu Darm-Organoiden (~10 μN).
Der restliche Teil der Arbeit konzentriert sich auf Situationen, in denen große Objekt oder lange Bildaufnahmezeiten die Anwendbarkeit und den Durchsatz von 3D Kraftmessungen einschränken. Daher entwickle ich verschiedene Methoden, die geometrische Symmetrien oder Proxy-Größen nutzen, um die 3D Kraftmessung in diesen Situationen zu vereinfachen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine kraftmikroskopische Methode zur Messung der Kontraktilität isolierter Herz- oder Skelettmuskelfasern vorgestellt. In der Forschung zur Muskelfunktion werden typischerweise Kraftmessungen an ganzen Muskelpräparaten durchgeführt. In dieser Arbeit entwickle ich eine Methode, die Kräfte einzelner Muskelfasern zu messen, die aus ganzen Muskelpräparaten herausgeschnitten, in 3D Biopolymere eingebettet und elektrisch stimuliert werden. Die nahezu zylindrische Geometrie der Muskelfasern ermöglicht eine vereinfachte Kraftrekonstruktion, wodurch Kraftmessungen mit einer Frequenz von bis zu 2 kHz und mit einem deutlich erhöhten Messdurchsatz ermöglicht werden. Ähnlich wie bei ganzen Muskelpräparaten ermöglicht die Methode Messungen der kontraktilen Kraft oder des zytosolischen Kalziums für Arzneimittelscreening, mit dem Vorteil, dass Daten von Hunderten von Einzelfasern anstelle einer einzigen Muskelprobe eines Tieres gewonnen werden können.
Der dritten Teil dieser Arbeit stellt eine Methode zur Untersuchung der kollektiven Kräfte von multizellulären Verbänden in 3D Biopolymeren vor. Während der Entwicklung, bei der Wundheilung oder bei der Krebsentstehung koordinieren Zellen ihr Verhalten und ihre Migration auf kollektive Weise, wobei es zu mechanischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen den Zellen und der umgebenden Matrix kommt. Um ein solches kollektives Zellverhalten zu untersuchen, können multizelluläre Verbände wie Sphäroide oder Organoide als biologische Modellsysteme genutzt werden. Die Messung von biomechanischen Eigenschaften multizellulärer Verbände in 3D Matrizen stellt jedoch eine Herausforderung dar. Beispielsweise lassen sich die weitreichenden Matrixdeformationen um große Tumorsphäroide oft nur unvollständig erfassen, und lange Aufnahmezeiten begrenzen zusätzlich die zeitliche Auflösung
oder die Stichprobengröße der Messung.
Unter Ausnutzung der sphärischen Symmetrie von Sphäroiden erstelle ich Finite-Elemente-basierte materialspezifische Nachschlagetabellen, die es ermöglichen, die kontraktilen Kräfte von Sphäroiden beliebiger Größe zu rekonstruieren. Diese Tabellen bestimmen die Kraft eines Sphäroids anhand der Amplitude einer Matrixverformung und des Abstands vom Sphäroid, gemessen an einem beliebigen Punkt um den Sphäroiden und normiert auf dessen
Größe. Dieser Ansatz ermöglicht dynamische Kraftmessungen aus Zeitrafferaufnahmen in einer einzigen äquatorialen Ebene um den Sphäroiden mithilfe einfacher Hellfeldmikroskopie, wodurch sowohl der Messdurchsatz als auch die zeitliche Auflösung erhöht werden.
Ich wende diese Methode an, um die kollektive Krafterzeugung von Sphäroiden ausmenschlichen Brustfibroblasten in 3D Kollagenmatrizen zu untersuchen. Ähnlich zu den vorherigen Beobachtungen von Kraftfluktuationen bei Immun- und Nervenzellen synchronisieren einzelne Zellen innerhalb eines Sphäroids ihre Krafterzeugung, was zu kollektiven Kraftoszillationen in Intervallen von ~30 min führt. Anschließend untersuche ich, ob diese Kraftoszillationen
durch mechanische Rückkopplung zwischen den Zellen und der umgebenden Matrix verursacht werden. In Übereinstimmung mit dieser Hypothese zeige ich, dass diese Kraftoszillationen zwischen Sphäroiden mechanisch über große Distanzen (bis zu ~2 mm) durch 3D Kollagen übertragen werden. Darüber hinaus zeigen Experimente mit medikamentöser Behandlung, dass die Kraftoszillationen durch Integrin-vermittelte Rückkopplungen in den Aktinausstülpungen entstehen und durch den ERK Signalweg moduliert werden.
Abschließend präsentiere ich eine Methode zur qualitativen Abschätzung von Zellkräften durch die Messung der Dichte und Orientierung von Matrixfasern um Zellen in 3D Fasernetzwerken. Experimente und Simulationen von kontraktilen Zellen in Fasermatrizen zeigen, dass diese Parameter als indirekte Messgrößen für die Zellkontraktilität interpretiert werden können und zudem empfindlich auf medikamenteninduzierte Veränderungen reagieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Traktionskraftmessungen erfordert diese Methode keine Finite-Elemente-Simulationen, keine rheologische Charakterisierung der Matrix, und keine wiederholte Aufnahme der Matrix in einem Referenzzustand, in dem die Zellen keine Kraft ausüben.
Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit eine neue Methode zur 3D Traktionskraftmikroskopie mit hoher Genauigkeit und breiter Anwendbarkeit über einen weiten Bereich von Zeit-, Längen-, und Kraftskalen sowie mehrere spezialisierte Ansätze, die Messungen von zellgenerierten Kräften in spezifischen Systemen vereinfachen. Darüber hinaus wende ich diese Methoden an, um dynamische Kräfte und ihre mechanosensitive Regulation in verschiedenen biologischen Prozessen zu untersuchen, unter anderem bei der Migration von Immunzellen und beim kollektiven Zellverhalten in Sphäroiden
Identification of Use Cases and Integration of Data-Driven Methods in the Product Development Process
No full textParallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-814-9Die fortschreitende Digitalisierung und der verstärkte Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) finden in Deutschland zunehmende Beachtung, insbesondere im Kontext der Produktentwicklung. Trotz des enormen Potenzials verfügbarer Daten bleiben diese oft ungenutzt. Das Digital Engineering verspricht hier einen Paradigmenwechsel. Jedoch stehen Unternehmen - und hier insbesondere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) vor Herausforderungen bei der Integration dieser Methoden in ihre Prozesse. Die bisherige Forschung konzentrierte sich oft auf Einzelaspekte und es fehlt ein ganzheitlicher Ansatz zur Integration von datengetriebenen Methoden. Diese Arbeit entwickelt eine Methode zur Unterstützung von KMU bei der Identifikation geeigneter Anwendungsfälle und der Integration dieser Methoden in den Produktentwicklungsprozess. Basierend auf einer Industriestudie werden Wissensdefizite und der Mangel an qualifiziertem Personal als zentrale Herausforderungen identifiziert und basierend hierauf die Methode entwickelt. Diese besteht aus fünf Phasen, darunter die Bewertung des Digitalisierungsstands, einer Prozessanalyse und der systematischen Auswahl und Anpassung datengetriebener Methoden. Die Anwendbarkeit der Methode im industriellen Kontext wurde erfolgreich bestätigt. Diese Arbeit trägt nicht nur zur Lösung aktueller Herausforderungen bei, sondern zeigt auch die vielversprechende Zukunft der KI in der Produktentwicklung auf.The rise of digitalisation and the growing use of artificial intelligence (AI) are gaining increasing attention in Germany, particularly in product development. Despite the vast potential of available data, much of it remains untapped. Digital engineering offers a paradigm shift, yet companies, especially small and medium-sized enterprises (SMEs), struggle to integrate these methods into their processes. While previous research has focused on individual aspects, a comprehensive approach to integrating data-driven methods is still lacking.
This thesis presents a method to support SMEs in identifying suitable use cases and integrating data-driven methods into the product development process. An industry study highlights knowledge gaps and a shortage of qualified personnel as key challenges, forming the foundation for the method’s development. The approach consists of five phases, including an assessment of digital maturity, process analysis, and the systematic selection and adaptation of data-driven methods. Its applicability in an industrial context has been successfully validated. This work not only addresses current challenges but also highlights the promising future of AI in product development
Self-Relevance Predicts the Aesthetic Appeal of Real and Synthetic Artworks Generated via Neural Style Transfer
Get PDFWhat determines the aesthetic appeal of artworks? Recent work suggests that aesthetic appeal can, to some extent, be predicted from a visual artwork’s image features. Yet a large fraction of variance in aesthetic ratings remains unexplained and may relate to individual preferences. We hypothesized that an artwork’s aesthetic appeal depends strongly on self-relevance. In a first study ( N = 33 adults, online replication N = 208), rated aesthetic appeal for real artworks was positively predicted by rated self-relevance. In a second experiment ( N = 45 online), we created synthetic, self-relevant artworks using deep neural networks that transferred the style of existing artworks to photographs. Style transfer was applied to self-relevant photographs selected to reflect participant-specific attributes such as autobiographical memories. Self-relevant, synthetic artworks were rated as more aesthetically appealing than matched control images, at a level similar to human-made artworks. Thus, self-relevance is a key determinant of aesthetic appeal, independent of artistic skill and image features.Max-Planck-Gesellschaft https://doi.org/10.13039/501100004189european research council https://doi.org/10.13039/501100000781bundesministerium für bildung und forschung https://doi.org/10.13039/50110000234
Influence of the Milling Strategy on the Marginal Fit of Chairside-Fabricated Lithium Disilicate Crowns
Get PDFUtilizing dental CAD/CAM systems, chairside treatments allow patients to be treated within one day without the need for an intermediate dental laboratory. With this procedure, it is also essential to ensure a sufficient marginal fit of the restoration. Therefore, this study investigates the influence of the milling strategy on the marginal fit of CAD/CAM-fabricated lithium disilicate crowns. For this purpose, 10 crowns were fabricated from each of the materials IPS e.max CAD and Celtra Duo using the fastest and finest available milling strategy. The accuracy of the marginal fit of the 40 crowns was examined using the industrial scanner ATOS Triple Scan and the associated software using the triple scan protocol. In a comparison of the milling processes, the restorations fabricated using the finest process always exhibited a better marginal fit, with mean deviations of 87 μm and 146 μm for IPS e.max CAD and 111 μm and 118 μm for Celtra Duo. The difference was only statistically significant for the crowns made of IPS e.max CAD ( p = 0.008). All mean deviations determined were below the clinically acceptable marginal gap values (150 μm). Both materials can be used for chairside-fabricated crowns; however, choosing the faster milling strategy leads to higher marginal discrepancies.The authors would like to thank Ivoclar (Ivoclar Vivadent GmbH) and Dentsply Sirona for kindly providing the materials used in this study.Ivoclar (Ivoclar Vivadent GmbH)Dentsply Siron
A Stage‐Gate Framework for Upscaling of Single‐Junction Perovskite Photovoltaics
Get PDFTo address the challenge of upscaling single‐junction perovskite photovoltaics (PV) toward market‐relevant performance in a structured and efficient manner, a stage‐gate approach that divides the process into stages according to technology readiness levels (TRLs) is proposed. Whereas the first stage contains only material research, the later stages are concerned with the development from lab‐scale devices to large‐area modules, and properties such as device size as well as processing methods are adapted step‐by‐step toward commercializable techniques. The stages are connected by gates that specify the criteria that must be met for a material or process to be transferred to the next stage. In addition, a literature survey for the keywords “perovskite” and “module” is performed. This analysis shows that most of the reported modules have an area between 10 cm 2 and 20 cm 2 , corresponding to stage 3 or TRL 5 in the scheme, and operational stability is often incompletely reported. These findings analysis indicate a significant gap in the research focus on large‐area modules and elevated stress and field tests, which are essential for transitioning to commercial applications. It is suggested to use the proposed stage‐gate process as an efficient and structured guideline toward commercializing perovskite PV.A stage‐gate process for the upscaling of single‐junction perovskites aligned with technology readiness levels is proposed. The early stages focus on material research, while later stages transition lab‐scale devices to large‐area modules, meeting specific criteria at each gate. A literature survey emphasizes the need for structured methods like the proposed framework that can be adapted and improved by the community. imagethe European Union's Framework Programme for Research and Innovation Horizon EuropeEuropean Union's Framework Programme for Research and Innovation Horizon EuropeHORIZON EUROPE Framework Programme http://dx.doi.org/10.13039/100018693Horizon 2020 Framework Programme http://dx.doi.org/10.13039/10001066
Anti-Infective Screening of Selected Nine Cannabinoids Against Clostridium perfringens and Influenza A (H5N1) Neuraminidases, and SARS-CoV-2 Main Protease and Spike Protein Interactions
Get PDFRecently, cannabinoids have gained scientific interest as a promising anti-infective natural product class, as reported in several studies. However, the existing knowledge is mainly limited to common cannabinoids like THC and CBD. Therefore, this study aims to fill the knowledge gap by investigating the anti-infective potential of nine selected cannabinoids (both common and rare cannabinoids): THC, CBD, CBC, CBE, CBF, CBG, CBL, CBN, and CBT against Clostridium perfringens and Influenza A (H5N1) neuraminidases and SARS-CoV-2 main protease and spike protein–human ACE2 interaction using a standard in vitro biochemical enzyme-binding assay. As a result, to the authors’ knowledge, this study is the first to demonstrate the most promising effect of CBG over others in its class against C. perfringens and influenza A (H5N1) neuraminidases and SARS-CoV-2 main protease and spike protein–human ACE2 interaction. In comparison to CBG, CBD and THC were the second and third most promising candidates. Meanwhile, the other derivatives, such as CBC, CBE, CBF, CBL, CBN, and CBT, showed at least one anti-infective effect. Our findings during the early drug discovery process indicate a promising anti-infective potential of cannabinoids, which can be considered for further investigation in a biological setup.This research was partially funded by the German Academic Exchange Service (DAAD), grant number 57299294.German Academic Exchange Service (DAAD