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Laminar Pipe Flow Instability: A Theoretical-Experimental Perspective
Get PDFThis paper revisits the theoretically predicted inherent stability of fully developed laminar pipe flow, which remains unconfirmed by experimental evidence. A recently developed theory of pipe-flow stability/instability addresses the gap between experimental observations and classical theoretical predictions by accounting for a parallel secondary flow through the pipe’s roughness layer that accompanies the main stream. This secondary flow alters the near-wall velocity profile in the rough-wall region, creating an inflection point that promotes shear-driven instabilities and triggers the laminar-to-turbulent transition. A stability factor S=Dc/Dis introduced, where D is the nominal pipe diameter and Dcrefers to the critical pipe diameter. The pipe flow remains laminar and stable for S>1.0, and becomes unstable for SLc. The theoretical treatment presented provides deeper physical insights into the onset of laminar pipe flow instability including the phenomenon of reverse transition. It also distinguishes between natural and forced flow transitions, providing a refined understanding of the transition process. Finally, suggestions for future experimental work are made to further validate or challenge this new theoretical perspective on pipe flow instability.This research received no external funding
Mentors' resources and premature match closure in challenging contexts: testing a model of mediating processes in an online and a school-based mentoring program
Get PDFIntroduction This research aimed to investigate the impact of mentors' resources on the premature termination of mentoring relationships in challenging contexts as well as mediating psychological processes. Method In two studies, we analyzed the data of 98 mentors from an online mentoring program for girls in STEM subjects and the data of 60 mentors from a school-based mentoring program with talented youth. Participants were surveyed with a standardized questionnaire about their mentoring experiences during the first peak of the COVID-19 pandemic in Germany, which created a challenging context. Results The results indicated that a reduction of mentoring resources is associated with an increased risk of premature match closure. This effect of resources was mediated in two ways: by (a) mentors' confidence in their mentoring abilities, which predicted feelings of helplessness, and (b) mentors' beliefs in the modifiability of deficits and the stability of abilities, which predicted adaptive responses to failure. Furthermore, mentors in the school-based program reported a more significant reduction in mentoring resources, which, in turn, was more strongly associated with premature match closure than in the online mentoring program. Discussion This suggests that online mentoring might be more robust than face-to-face mentoring under unfavorable environmental conditions. Overall, our study points to equipping mentors with adequate resources and offering ongoing support, especially in challenging environments
Entwicklung und Evaluation eines Simulationsmodells zur operativen Versorgung von knöchernen Verletzungen der Brustwand
Get PDFDissertation von Luisa Textor, geb. Mathern mit dem Titel: Entwicklung und Evaluation eines Simulationsmodells zur operativen Versorgung von knöchernen Verletzungen der Brustwand.
Auf dem Weg zu einer einheitlichen chirurgischen Versorgung von Rippen- und Sternumfrakturen klafft in Sachen Lehre eine Lücke zwischen Theorie und Praxis. Diese gilt es zu schließen, wofür sich ein plastisches Lehrmodell exzellent eignet.
Verletzungen der knöchernen Brustwand sind unter anderem durch eine stetige Zunahme der Inzidenz hochaktuell. Einer zügigen Diagnostik hat sich die patientenorientierte Therapie anzuschließen. Für diese Abfolge müssen therapeutische Abläufe routiniert und optimiert werden. Idealerweise erfolgt die Erweiterung des Erfahrungsschatzes bereits außerhalb des Operationssaals, wodurch Lehre an Bedeutung gewinnt.
Als Ziel dieser Arbeit gilt die Darstellung der Entwicklung eines Thoraxmodells, welches reproduzierbare Hands-on Lehre bieten soll. Dazu erfolgt die Evaluation des Thoraxmodells in Bezug auf die Gestaltung, die Handhabbarkeit und vor allem die Realitätsnähe. Das Modell des Brustkorbs soll eine neue Lehrmöglichkeit schaffen, um die operative Therapie von Rippen- und Sternumfrakturen einüben zu können. Gleichzeitig liefert es eine Chance, Operationen zu planen und Fragen zum Prozedere außerhalb des Operationssaals zu klären.
Die Maße des Simulationsmodells wurden entsprechend der Mittelwerte, erhoben aus CT-Thorax Aufnahmen von Patienten mit gewöhnlicher Brustkorbanatomie bestimmt. Aus diesen Werten ist zunächst ein erster Prototyp mit einer Polypropylen-Rippennachbildung entstanden. Nach einer Evaluation wurde ein weiterer Prototyp mit Polyamid-Rippen und einem X-förmigen Aluminiumgerüst mit gleichen Maßen, wie die des ersten Modells, hergestellt. Im Anschluss an eine finale Evaluierung wurde das dritte Modell produziert. Dieses weist ein Rippenimitat aus Polyurethan und ein prismenförmiges Aluminiumgerüst mit würfelförmiger Rotationsaufhängung auf. In dieser Arbeit wird insbesondere das dritte und finale Modell beleuchtet.
Am finalen Modell werden die gewöhnlichen operativen Zugangswege zum knöchernen Thorax untersucht und deren Ausdehnung mit Hakenzug und Rundretraktoreinsatz gemessen. Im Anschluss werden die Daten mit auf identische Weise erhobenen Werten von Körperspenderpräparaten, erarbeitet von der Arbeitsgruppe Langenbach et al. (2018), verglichen.
Das Brustkorbmodell ist als Kompromiss zwischen Austauschbarkeit der Materialien und Realitätsnähe ausgearbeitet. Mit dem Fokus auf der Auswechslung von bearbeiteten Strukturen wird auf einige Leitstrukturen verzichtet. Gefäße und Nerven sind am Modell unterrepräsentiert. Jedoch kann durch den Vergleich der erhobenen Werte des Modells mit einer Referenzarbeit, die Annäherung der operativen Verhältnisse am Modell zu denen der Realität gezeigt werden. Sowohl die Muskeln als auch die Haut sind von der Beschaffenheit sowie von der Optik realitätsnah getroffen. Dazu kann in Bezug auf die Dichtewerte der Materialien des Modells und den Dichtewerten von menschlichen Muskeln, Haut und Knochen eine Annäherung gefunden werden.
Als Resultat zeigen sich die Werte der Zugänge am Modell konsensuell zu den entsprechenden Werten an Leichen. Die untersuchten Zugänge bieten bis auf eine Ausnahme lediglich Abweichungen von 0,5 % bis 7,8 % der gemessenen Strecken unter Einsatz eines Rundretraktors (Interspinoscapulärer bzw. medianer Zugang, Axillärer Zugang in der Longitudinalachse 13,1 % Abweichung). Bei der Flächenberechnung präsentiert sich die axillären und medianen Zugänge am Modell als am meisten abweichend im Vergleich zu den gemessenen und berechneten Flächen an Körperspendern. Jedoch findet sich auch hier eine Differenz geringer 8,5 %. Insgesamt kann festgestellt werden, dass die Verhältnisse einer Operation am menschlichen Thorax am Simulationsmodell gut wiedergegeben sind.
Die erhobenen Messungen sowie die gezogenen Vergleiche zu Körperspendern zeigen, dass die operative Realität am Modell getroffen ist. Mit einer Abweichung kleiner 9 % aller unternommenen Flächenmessungen am Modell im Vergleich zu den Messungen an Körperspendern wird die Realitätsnähe bewiesen. Die hohe Übereinstimmung der Daten an Leichen und der auf identische Weise erhobenen Werte am Modell verdeutlichen, dass die Materialien des Modells die Verhältnisse und Spannungen am menschlichen Brustkorb ausgezeichnet wiedergeben. Daher eignet sich das Modell hervorragend für die Lehre und Planung von Eingriffen an der Thoraxwand. Zusätzlich bietet das Simulationsmodell im Vergleich zu Körperspenderpräparaten große Vorteile durch eine Minimierung von ethischen Auflagen, eine vorhandene Reisefähigkeit und eine Langlebigkeit durch den unkomplizierten Austausch von bearbeiteten Materialien
Advancing Extended Source Analysis in VHE Gamma-Rays: From Background Estimation to Pulsar Environment Studies
Get PDFGamma-ray sources associated with pulsars make up a significant fraction of the identified Galactic TeV source population. Recent studies have uncovered a new subtype of this source class, degree scale gamma-ray emission formed around middle-aged pulsars, the pulsar halo. This source class has the potential to provide valuable insights not only into the evolution of pulsars but also into the propagation of cosmic rays in the interstellar medium. However at this point, only a few such sources have been detected, complicating the separation of the properties of the population from the properties of individual sources.
The detection of such largely extended sources in the TeV energy range has mainly been facilitated by wide-field survey instruments, while Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes are better suited for providing a detailed description of the morphology of sub-degree scale gamma-ray sources. To this point, however, the only facility which can survey the southern TeV sky, is the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), an IACT array located in Namibia. This work aims to improve the detection capability of IACT arrays for largely extended sources by developing a novel background estimation approach, which, in contrast to classical background estimation techniques, does not rely on a source-free region in the observation.
This background estimation technique is used in an analysis of the region around PSR B1055-52. The middle-aged pulsar, previously grouped with Geminga and PSR B0656+14 as the `Three Musketeers' due to their similar properties, has long been suspected to host a TeV halo. Through the application of two different advanced background estimation methods, this work is able to significantly detect degree scale emission in the region, with properties indicating that this marks the first detection of a pulsar halo in the southern hemisphere. From this, a diffusion model is employed to derive the diffusion properties of the cosmic ray leptons in the region around the pulsar. This study confirms the unexpected finding of sub-ISM diffusion in other pulsar halos, suggesting that the sphere of influence of the pulsar, either trough self-generated turbulence or magnetic field effects, may extend further than previously thought
GSH/pH-Responsive Chitosan–PLA Hybrid Nanosystems for Targeted Ledipasvir Delivery to HepG2 Cells: Controlled Release, Improved Selectivity, DNA Interaction, Electrochemical and Stopped-Flow Kinetics Analyses
Get PDFThis study aimed to design dual-responsive chitosan–polylactic acid nanosystems (PLA@CS NPs) for controlled and targeted ledipasvir (LED) delivery to HepG2 liver cancer cells, thereby reducing the systemic toxicity and improving the therapeutic selectivity. Two formulations were developed utilizing ionotropic gelation and w/o/w emulsion techniques: LED@CS NPs with a size of 143 nm, a zeta potential of +43.5 mV, and a loading capacity of 44.1%, and LED-PLA@CS NPs measuring 394 nm, with a zeta potential of +33.3 mV and a loading capacity of 89.3%, with the latter demonstrating significant drug payload capacity. Since most drugs work through interaction with DNA, the in vitro affinity of DNA to LED and its encapsulated forms was assessed using stopped-flow and other approaches. They bind through multi-modal electrostatic and intercalative modes via two reversible processes: a fast complexation followed by a slow isomerization. The overall binding activation parameters for LED (cordination affinity, Ka = 128.4 M−1, Kd = 7.8 × 10−3 M, ΔG = −12.02 kJ mol−1), LED@CS NPs (Ka = 2131 M−1, Kd = 0.47 × 10−3 M, ΔG = −18.98 kJ mol−1) and LED-PLA@CS NPs (Ka = 22026 M−1, Kd = 0.045 × 10−3 M, ΔG = −24.79 kJ mol−1) were obtained with a reactivity ratio of 1/16/170 (LED/LED@CS NPs/LED-PLA@CS NPs). This indicates that encapsulation enhanced the interaction between the DNA and the LED-loaded nanoparticle systems, without changing the mechanism, and formed thermodynamically stable complexes. The drug release kinetics were assessed under tumor-mimetic conditions (pH 5.5, 10 mM GSH) and physiological settings (pH 7.4, 2 μM GSH). The LED@CS NPs and LED-PLA@CS NPs exhibited drug release rates of 88.0% and 73%, respectively, under dual stimuli over 50 h, exceeding the release rates observed under physiological conditions, which were 58% and 54%, thereby indicating that the LED@CS NPs and LED-PLA@CS NPs systems specifically target malignant tissue. Release regulated by Fickian diffusion facilitates tumor-specific payload delivery. Although encapsulation did not enhance the immediate cytotoxicity compared to free LED, as demonstrated by an in vitro cytotoxicity in HepG2 cancer cell lines, it significantly enhanced the therapeutic index (2.1-fold for LED-PLA@CS NPs) by protecting non-cancerous cells. Additionally, the nanoparticles demonstrated broad-spectrum antibacterial effects, suggesting efficacy in the prevention of chemotherapy-related infections. The dual-responsive LED-PLA@CS NPs allowed controlled tumor-targeted LED delivery with better selectivity and lower off-target toxicity, making LED-PLA@CS NPs interesting candidates for repurposing HCV treatments into safer cancer nanomedicines. Furthermore, this thorough analysis offers useful reference information for comprehending the interaction between drugs and DNA.This research was funded by Taif University, Saudi Arabia, Project No. (TU-DSPP-2024-03).Taif Universit
Forebrain-Specific B-raf Deficiency Reduces NMDA Current and Enhances Small-Conductance Ca2+-Activated K+ (SK) Current
Get PDFB-raf (rapidly accelerated fibrosarcoma) is a crucial player within the ERK/MAPK signaling pathway. In the CNS, B-raf has been implicated in neuronal differentiation, long-term memory, and major depression. Mice with forebrain neuron-specific B-raf knockout show behavioral deficits in spatial learning tasks and impaired hippocampal long-term potentiation (LTP). To elucidate the mechanism(s) underlying diminished synaptic plasticity in B-raf-deficient mice, we performed whole-cell recordings from CA1 pyramidal cells in hippocampal slices of control and B-raf mutant mice. We found that the NMDA/AMPA ratio of excitatory postsynaptic currents (EPSCs) at the Schaffer collateral—CA1 pyramidal cell synapses was significantly reduced in B-raf mutants, which would at least partially account for their impaired LTP. Interestingly, the reduced NMDA component of field postsynaptic potentials in mutant preparations was partially reinstated by blocking the apamin-sensitive small-conductance Ca 2+ -activated K + (SK) channels, which have also been reported to modulate hippocampal LTP and learning tasks. To determine the impact of B-raf-dependent signaling on SK current, we isolated the apamin-sensitive tail current after a strong depolarizing event and found indeed a significantly bigger SK current in B-raf-deficient cells compared to controls, which is consistent with the reduced action potential firing and the stronger facilitating effect of apamin on CA1 somatic excitability in B-raf-mutant hippocampus. Our data suggest that B-raf signaling readjusts the delicate balance between NMDA receptors and SK channels to promote synaptic plasticity and facilitate hippocampal learning and memory.This study was supported by intramural funds.intramural fund
The Dual Character of Animal-Centred Care: Relational Approaches in Veterinary and Animal Sanctuary Work
No full textSimple Summary Caring for animals is central to veterinary and animal sanctuary work. However, the meaning of animal-centred care is often the subject of debate. This article explores the challenges faced by professionals when balancing two approaches: treating animals as individuals and considering their species-specific needs. These tensions are further shaped by the differing expectations of various groups—including animal owners, caretakers, veterinarians, institutions, and the public—who may hold conflicting views on what constitutes appropriate care. This article focuses on human–animal interactions in sanctuaries and the difficult decisions regarding killing an animal in veterinary medicine, such as euthanasia. The two care approaches and the expectations of actor groups can conflict—particularly when professionals must make decisions in real-life situations that are constrained by limited resources and time. By highlighting these tensions, this study provides insight into the nuances of animal-centered care and the skills needed by professionals to navigate the ever-increasing complexities of the field.Caring for the lives and welfare of animals is central to veterinary and animal sanctuary work, yet the meaning remains a subject of complex debates. Different stakeholders negotiate what constitutes appropriate care, leading to conflicting demands and expectations from internal and external sources. This article is based on two qualitative studies: Study I explores the multifaceted aspects of death work in farm animal medicine, emphasising the practical, emotional and ethical challenges involved. Study II examines human–animal interaction in sanctuaries, which reveal tensions between instrumental and relational care in animal-centred work. Relational care represents a subjectifying approach with individual attention to animals, while instrumental care is a more objectifying perspective based on species representation. These demands can often be contradictory, complicating day-to-day decision making under pressure. To analyse these complexities, this study employs Clarke’s situational analysis (social worlds/arenas mapping), providing a means of comparing care work across different fields. This approach highlights how actor constellations, institutional settings, and structural constraints influence the negotiation of care. Addressing these issues provides a more nuanced understanding of the professional challenges of animal-centred care and the necessary skills to navigate its inherent contradictions.This research received no external funding. M.B.’s dissertation project was funded by the Studienstiftung des deutschen Volkes. A.S. was supported by the Dr. Alfred Vinzl Foundation and the Luise Prell Foundation, Erlangen, Germany.Dr. Alfred Vinzl Foundation and the Luise Prell Foundation, Erlangen, German
Simulationsbasiertes lernen einer Steuerung für patientenindividuelle autonome Navigation bei endovaskulären Eingriffen in der realen Welt
No full textEndovascular interventions are critical in treating life‐threatening conditions such as stroke and heart attack. These minimally invasive procedures offer significant advantages over conventional treatments, including reduced blood loss, shorter hospital stays, and lower mortality rates. The complexity of these procedures, however, demands highly skilled physicians, creating challenges in healthcare delivery. As populations age and urbanization continues, the growing demand for endovascular interventions, coupled with occupational hazards facing physicians, could lead to limited accessibility in many regions. While endovascular robotics have emerged as a promising solution to some challenges, current systems remain purely telemanipulated and do not fundamentally reduce the operational burden on physicians. The integration of automatic assistance systems presents an opportunity to alleviate cognitive load and enhance operator capabilities. Specifically, automating navigation through the vascular system — a substantial part of these interventions — holds the potential to significantly reduce physician workload and democratize access to these critical procedures.
This thesis advances the field of robotic endovascular interventions by developing novel techniques for automatic navigation of endovascular instruments focusing on the key areas patient‐individual generalization, data mitigation, and standardization of the evaluation environment. This work provides five distinct contributions. Patient Individual Adaption: Through the implementation of a memory‐based observation embedder, the research quantifies improvements in the controller’s capability to navigate previously unseen aortic arch geometries. Simulation to Reality Transfer: The thesis explores multiple approaches for deploying simulation‐trained controllers in real‐world scenarios, progressing from fully observable rigid setups to soft ex‐vivo porcine liver environments and varying aortic arch geometries. Human‐like Behavior without Demonstration: The research demonstrates that controllers trained without human demonstration can achieve navigation behaviors similar to those of medical experts in complex porcine liver veins. Facile test bench: The work introduces a facile test bench environment designed specifically for ex‐vivo evaluation of autonomous controllers using fluoroscopic feedback. Standardized Learning and Evaluation Environment: The thesis contributes to the broader research community by establishing standardized benchmark interventions through stEVE (simulated EndoVascular Environment), an open‐source framework for creating endovascular simulations to train and evaluate control methods.
These contributions collectively advance the field toward more accessible, efficient, and precise en‐ dovascular interventions, holding the potential to improve patient outcomes and expand access to these critical life‐saving treatments.Endovaskuläre Interventionen sind entscheidend für die Behandlung lebensbedrohlicher Erkrankungen wie Schlaganfall und Herzinfarkt. Diese minimalinvasiven Verfahren bieten gegenüber konventionellen Behandlungen erhebliche Vorteile, darunter geringerer Blutverlust, kürzere Krankenhausaufenthalte und niedrigere Mortalitätsraten. Die Komplexität dieser Eingriffe erfordert jedoch hochqualifizierte Ärzte, was Herausforderungen in der Gesundheitsversorgung mit sich bringt. Mit einer alternden Bevölkerung und fortschreitender Urbanisierung könnte die wachsende Nachfrage nach endovaskulären Interventionen, verbunden mit berufsbedingten Risiken für Ärzte, zu einer eingeschränkten Verfügbarkeit in vielen Regionen führen. Während endovaskuläre Robotik als vielversprechende Lösung für einige Herausforderungen aufgekommen ist, bleiben aktuelle Systeme rein telemanipuliert und reduzieren nicht grundlegend die Belastung der Ärzte. Die Integration automatischer Assistenzsysteme bietet die Möglichkeit, die kognitive Belastung zu verringern und die Fähigkeiten der Operateure zu verbessern. Insbesondere die Automatisierung der Navigation durch das Gefäßsystem – ein wesentlicher Teil dieser Interventionen – birgt das Potenzial, die Arbeitsbelastung der Ärzte erheblich zu reduzieren und den Zugang zu diesen kritischen Verfahren zu demokratisieren.
Diese Dissertation treibt das Gebiet der robotischen endovaskulären Interventionen voran, indem sie neuartige Techniken für die automatische Navigation endovaskulärer Instrumente entwickelt, mit Fokus auf die Schlüsselbereiche patientenindividuelle Generalisierung, Datenminimierung und Standardisierung der Evaluierungsumgebung. Diese Arbeit liefert fünf verschiedene Beiträge: Patientenindividuelle Generalisierung: Durch die Implementierung eines Gedächtnisses in die Verarbeitung des Feedbacks quantifiziert die Forschung Verbesserungen in der Fähigkeit des Controllers, bisher ungesehene Aortenbogengeometrien zu navigieren. Simulation‐zu‐Realität‐Transfer: Die Dissertation untersucht mehrere Ansätze zum Transfer von in Simulation trainierten Controllern in die reale Welt, von Umgebungen mit vollständig beobachtbaren starren Aufbauten bis hin zu weichen ex‐vivo Schweinelebern und variierenden Aortenbogengeometrien. Menschenähnliches Verhalten ohne Demonstration: Die Forschung zeigt, dass Controller, die ohne menschliche Demonstration trainiert wurden, Navigationsverhalten erreichen können, die denen medizinischer Experten in komplexen Schweinelebervenen ähneln. Einfache Testumgebung: Die Arbeit stellt eine einfache Testumgebung vor, die speziell für die ex‐vivo Evaluierung autonomer Controller mit fluoroskopischem Feedback entwickelt wurde. Standardisierte Lern‐ und Evaluierungsumgebung: Die Dissertation trägt zur breiteren Forschungsgemeinschaft bei, indem sie standardisierte Benchmark‐Interventionen durch stEVE (simulated EndoVascular Environment) etabliert, ein Open‐Source‐Framework zur Erstellung endovaskulärer Simulationen zum Training und zur Evaluierung von Kontrollmethoden.
Gemeinsam treiben diese Beiträge das Forschungsfeld in Richtung zugänglicherer, effizienterer und präziserer endovaskulärer Interventionen voran und bergen das Potenzial, die Behandlungsqualität für Patienten zu verbessern und den Zugang zu diesen kritischen lebensrettenden Behandlungen zu erweitern
Correction: Tuning the spontaneous emission of CdTe quantum dots with hybrid silicon–gold nanogaps
No full textCorrection for ‘Tuning the spontaneous emission of CdTe quantum dots with hybrid silicon–gold nanogaps’ by Areeg Al-hamadani et al. , RSC Adv. , 2025, 15 , 29053–29062, https://doi.org/10.1039/D5RA04583E .Österreichischen Akademie der Wissenschaften 10.13039/501100001822Horizon 2020 Framework Programme 10.13039/100010661Austrian Science Fund 10.13039/50110000242
Antibody-mediated protection against cytomegalovirus
Get PDFHuman cytomegalovirus (HCMV) is a globally prevalent pathogen that presents significant clinical challenges, particularly for immunosuppressed individuals and infants infected in utero. Among transplant recipients, HCMV reactivation and infection are major contributors to increased morbidity and mortality. In congenital infections, HCMV is the leading cause of sensorineural hearing loss. Current therapeutic options are constrained by the emergence of escape mutations and drug-related toxicities. Furthermore, the specificities and protective mechanisms of antibody responses following infection remain poorly understood, contributing to the modest efficacy observed in vaccine trials. This thesis investigates the mechanisms of antibody-mediated protection targeting CMV glycoproteins through in vitro characterizations and in vivo mouse models.
To produce anti-CMV monoclonal antibodies (mAbs), the well-characterized Hybridoma-derived anti-gB M11 antibody was cloned into expression plasmids for recombinant production. The original IgG2b subclass of M11 was switched, and Fc effector function-modulating mutations were introduced. During production, notable batch variability in expression levels was observed across subclasses and antibody variants. Size Exclusion Chromatography revealed aggregation and fragmentation in certain mAbs, leading to reduced functionality. Aggregated mAbs failed to bind their respective antigens, underscoring the critical impact of aggregation on antibody activity. Notably, storage conditions and buffer composition significantly influenced antibody stability. Under optimized conditions re-produced M11 mAbs exhibited consistent antigen-binding and neutralization capacities across IgG subclass variants compared to the original Hybridoma-derived antibody. The Fc mutations IgG2b DANG, IgG2c N297A and IgG2c LALA-PG decreased Fcγ receptor and complement binding, whereas IgG2c SAEAKA and IgG2c NA mutations enhanced these interactions.
Analysis of the Hybridoma-derived mAb 32.22 confirmed specific binding to gN within the gM/gN complex, recognizing only one of the three known gN splicing variants. To date, it is the only reported anti-gN mouse antibody in CMV. Binding studies demonstrated that gN expression on the plasma membrane requires gM co-expression. Two additional mAbs, BK1 and BK2, were characterized as anti-gH mAbs. BK1 exhibited potent neutralizing activity, while BK2 lacked neutralizing ability even at high concentrations. Serological analysis of MCMV-infected mice showed a high prevalence against gM/gN (> 80 %) and gH (100 %), highlighting these complexes as critical CMV vaccine targets. Structural predictions using AlphaFold revealed homology between murine CMV glycoproteins and those of human beta-herpesviruses and other animal CMVs, further underscoring their importance.
The in vivo efficacy of Hybridoma-derived mAbs M11, BK1 and BK2 was assessed in MCMV-infected immunodeficient RAG-/- mice. Therapeutic administration was more effective on day 3 than on day 1 post infection, as indicated by bioluminescence imaging, organ viral loads, serum neutralization assays and IgG titres. Among the mAbs, M11 provided the highest protection, while BK1 unexpectedly failed to significantly reduce viral loads, in contrast to the non-neutralizing mAb BK2. Collectively, this study advances our understanding of antibody-mediated protection against CMV, particularly the roles of glycoproteins gB, gM, gN and gH. These findings provide valuable insights for the development of improved vaccines and passive immunization strategies.Das humane Cytomegalovirus (HCMV) ist ein weltweit verbreitetes Pathogen, das erhebliche klinische Herausforderungen mit sich bringt, insbesondere für immunsupprimierte Personen und Neugeborene, die intrauterin infiziert wurden. Bei Transplantationsempfängern tragen HCMV-Reaktivierung und -Infektion wesentlich zu erhöhter Morbidität und Mortalität bei. Bei kongenitalen Infektionen ist HCMV die Hauptursache für sensorineuralen Hörverlust. Die aktuellen Therapieoptionen sind durch das Auftreten von Resistenzmutationen und arzneimittelbedingten Toxizität eingeschränkt. Darüber hinaus sind die Spezifität und die schützenden Mechanismen der Antikörperantworten nach einer Infektion nur unzureichend verstanden, was zur begrenzten Wirksamkeit in Impfstoffstudien beiträgt. Diese Arbeit untersucht die Mechanismen der antikörpervermittelten Protektion gegen CMV-Glykoproteine durch in vitro Charakterisierungen und in vivo Mausmodelle.
Zur Herstellung anti-CMV-monoklonaler Antikörper (mAbs) wurde der gut charakterisierte, Hybridoma-derivierte anti-gB M11-Antikörper in Expressionsplasmide für die rekombinante Produktion kloniert. Der ursprüngliche IgG2b-Subklasse von M11 wurde gegen verschiedene Subklassen getauscht, und Mutationen zur Modulation der Fc-Effektorfunktion wurden eingeführt. Während der Produktion zeigte sich eine deutliche Chargenvariabilität in den Expressionsniveaus zwischen Subklassen und Antikörpervarianten. Größenausschluss-Chromatographie zeigte, dass bestimmte Antikörper Aggregationen und Fragmentierungen aufwiesen, was zu einer reduzierten Funktionalität führte. Aggregierte mAbs konnten ihre jeweiligen Antigene nicht binden, was die entscheidende Bedeutung von Aggregation für die Antikörperaktivität unterstreicht. Besonders die Lagerungsbedingungen und Pufferzusam-mensetzung beeinflussten die Antikörperstabilität signifikant. Unter optimierten Bedingungen zeigten reproduzierte M11 mAbs konsistente Antigenbindungs- und Neutralisations-fähigkeiten über IgG-Subklassenvarianten hinweg im Vergleich zum ursprünglichen Hybridoma-derivierten Antikörper. Die Fc-Mutationen IgG2b DANG, IgG2c N297A und IgG2c LALA-PG reduzierten die Bindung an Fcγ-Rezeptoren und Komplement, während IgG2c SAEAKA- und IgG2c NA-Mutationen diese Interaktionen verstärkten. Die Analyse des Hybridoma-derivierten mAb 32.22 bestätigte die spezifische Bindung an gN innerhalb des gM/gN-Komplexes und erkannte, dass 32.22 nur eine der drei bekannten gN-Spleißvarianten bindet. Bis heute ist er der einzige bekannte monoklonale anti-gN-Mausantikörper gegen CMV. Außerdem zeigten Bindungsstudien, dass die Expression von gN auf der Plasmamembran die Koexpression von gM erfordert. Zwei weitere mAbs, BK1 und BK2, wurden als anti-gH mAbs identifiziert. BK1 zeigte eine starke neutralisierende Aktivität, während BK2 selbst in hohen Konzentrationen keine neutralisierende Wirkung hatte. Serologische Analysen von MCMV-infizierten Mäusen zeigten eine hohe Prävalenz gegen gM/gN (> 80 %) und gH (100 %), was diese Komplexe als wichtige Antigene für CMV-Therapien hervorhebt. Strukturelle Vorhersagen mittels AlphaFold zeigten Homologien zwischen murinen CMV-Glykoproteinen und denen humaner Beta-Herpesviren sowie anderer tierischer CMVs und unterstrichen deren Bedeutung zusätzlich.
Die in vivo Wirksamkeit der Hybridoma-derivierten mAbs M11, BK1 und BK2 wurde in MCMV-infizierten immun defizienten RAG-/- Mäusen evaluiert. Therapeutische Verabreichung war am dritten Tag nach der Infektion wirksamer als am ersten Tag, wie durch Biolumineszenz-Bildgebung, die Viruslast in Organen, Serumneutralisations-Assays und IgG-Titer belegt wurde. Unter den getesteten mAbs zeigte M11 die höchste Schutzwirkung, während BK1 unerwartet keine signifikante Reduktion der Viruslast bewirkte, im Gegensatz zum nicht-neutralisierenden mAb BK2. Zusammenfassend erweitert diese Arbeit das Verständnis der antikörpervermittelten Protektion gegen CMV, insbesondere der Rolle der Glykoproteine gB, gM, gN und gH. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung verbesserter Impfstoffe und passiver Immunisierungsstrategien