1,078 research outputs found
Call for papers: Special Volume of the Journal of Cleaner Production on: “Improved resource efficiency and cascading utilisation of renewable materials”
No full textKeeping Safe : Intra-individual Consistency in Obstacle Avoidance Behaviour Across Grasping and Locomotion Tasks
No full textThe author(s) disclosed receipt of the following financial support for the research, authorship, and/or publication of this article: Jutta Billino was supported by grants from the German Research Foundation, Collaborative Research Centre SFB/TRR 135: Cardinal Mechanisms of Perception.Peer reviewe
Gor'kijBogdanov : Aperçu sur une correspondance non publiée
No full textJutta Scherrer, Gor'kii - Bogdanov. An appraisal of unpublished correspondence.
The author traces the course of Gor'kii's relationship with Bogdanov as it emerges from his correspondence, to dale unpublished, with the philosopher and political figure during the years 1908-1910, a period marking the first crisis within the Bolshevik fraction - the bitter struggle between its main leaders of the moment, Lenin and Bogdanov. Gor'kii actively adopts a position in favor of the latter: for him Bogdanov's political and cultural vision represents a real and coherent alternative to Lenin's "orthodoxy". This article aims to give no more than a brief account of Bolshevism in the early years of its development : other, more important elements drawn from the collection of documents are analysed in a forthcoming publication.Jutta Scherrer, Gor'kij - Bogdanov. Aperçu sur une correspondance non publiée.
On retrace ici une étape des relations de Gor'kij avec Bogdanov à travers une correspondance, jusqu'ici inédite, de l'écrivain avec le philosophe et l'homme politique, au cours des années 1908 à 1910. Cette période est marquée par la première crise à l'intérieur de la fraction bolchevique, voire par la lutte acharnée entre ses principaux dirigeants d'alors, Lenin et Bogdanov. Gor'kij prend vivement position pour ce dernier dont le projet politique et culturel représente à ses yeux une véritable alternative à l'« orthodoxie » de Lenin. Cet article ne donne qu'un aperçu de l'histoire du bolchevisme à ses débuts. Des éléments plus importants se dégageront de la collection de documents qui sera publiée prochainement.Scherrer Jutta. Gor'kijBogdanov : Aperçu sur une correspondance non publiée. In: Cahiers du monde russe et soviétique, vol. 29, n°1, Janvier-Mars 1988. Maksim Gor'kij (1868 - 1936) cinquante ans après. pp. 41-51
Reply to XiaoJian Qin and DingWei Ye’s Letter to the Editor re: Jutta Engel, Patrick J. Bastian, Helmut Baur, et al. Survival Benefit of Radical Prostatectomy in Lymph Node–Positive Patients with Prostate Cancer. Eur Urol 2010;57:754-61
No full textα2δ3 is the preferred auxiliary α2δ subunit of Cav2.1 channels in spiral ganglion neurons and is required for development of auditory nerve fiber synapses
No full textVoltage-gated calcium channels (VGCCs) are composed of a pore-forming α1 subunit and the
auxiliary β and α2δ subunits. The largely extracellular α2δ proteins α2δ1-4 modulate the Ca2+
current properties but the reasons for their partial redundancy/specificity are unknown.
VGCCs are expressed in a huge variety of tissues, including the auditory system. Acoustically
evoked signal processing is carried out in an ultrafast and timely precise way and requires
fully functional and developed connections. The cochlea converts mechanical into electrical
signals, and transmits these signals via spiral ganglion (SG) neurons to the auditory
brainstem. SG neurons are indispensable for a proper hearing function and their loss cannot
be compensated by any hearing aid or cochlea implant. The presynaptic Ca2+ channel
complex of the mature inner hair cell (IHC) is formed by Cav1.3, ß2 and α2δ2 (Fell et al.,
2016). Recently, α2δ subunits have become of interest due to their multiple roles in pain
processing, synapse formation and use as therapeutic targets for different drugs.
In this work, the role of the α2δ3 subunit of VGCCs was analyzed with respect to (i) its
contribution to the ICa in neonatal and mature SG neurons and (ii) the development of the
endbulb of Held synapse.
Lack of α2δ3 reduced Cav2.1 currents, the dominating Ca2+ channel in cultured SG neurons of
mice aged 3-weeks, by 60 %. Furthermore, we found malformed and smaller endbulbs of
Held in mice aged 3-weeks. Surprisingly, at P5, when P/Q-type (Cav2.1) channels in SG
neurons were not yet expressed, α2δ3 was nevertheless required for a normal endbulb of Held
synapse development. This indicates a specific function of α2δ3 in synapse development,
which was independent of the presence of the P/Q-type Ca2+ current.
The endbulb of Held synapse has been studied not only in the α2δ3 knockout mouse but also
in α2δ2 null mutants, to determine how the deletion of α2δ2 affects the development. Analysis
of the endbulb of Held synapse showed a decreased VGLUT1-labeled area as well as a
decreased number of boutons per bushy cell compared to the wildtype, indicating that also
α2δ2 is required for proper endbulb of Held formation at P20.
In contrast to IHCs, SG neurons express at least 6 pore-forming subunits and all three
neuronal α2δ subunits (α2δ1-3). Taken together, we could show that (i) only Cav2.1 channels
mediating P/Q currents were strongly reduced in SG neurons isolated from α2δ3-/- mice at
P20, (ii) α2δ3 has a function for synaptic development independent of Cav2.1 channels and
(iii) also deletion of α2δ2 affects the development and maturation of the endbulb of Held
synapse at P20.Zusammenfassung
Spannungsgesteuerte Kalziumkanäle (VGCCs) bestehen aus einer porenbildenden α1-
Untereinheit und den akzessorischen β und α2δ-Untereinheiten. Die weitgehend
extrazellulären α2δ Proteine α2δ1-4 modulieren die Eigenschaften von Ca2+-Kanälen, aber die
Gründe für ihre partielle Redundanz bzw. Spezifität sind unbekannt. VGCCs werden in einer
Vielzahl von Geweben, einschließlich der Cochlea, exprimiert. Die Cochlea ist für die
Schalltransduktion und die Übertragung der Informationen zum auditorischen Hirnstamm
verantwortlich.
Die Aufgabe der Spiralganglien (SG) Neurone ist die Übertragung von Schallinformationen
von den Haarzellen der Cochlea zu Neuronen im auditorischem Hirnstamm. SG-Neurone,
sind unerlässlich für die Hörfunktion, denn ihr Verlust kann nicht durch ein Hörgerät oder ein
Cochlea-Implantat ersetzt werden.
Der Ca2+-Kanal-Komplex der ausgereiften Präsynapsen der IHC wird von Cav1.3, β2 und α2δ2
gebildet (Fell et al. 2016). Besonders die α2δ-Untereinheiten sind aufgrund ihrer vielfältigen
Funktionen bei der Schmerzverarbeitung, Synapsenbildung und als therapeutische
Angriffspunkte für verschiedene Medikamente interessant geworden. In dieser Arbeit wurde
die Rolle der α2δ3-Untereinheit von VGCCs im Hinblick auf ihren Beitrag zum Ca2+-Strom
von neonatalen und reifen SG-Neuronen und die Entwicklung der Endbulb of Held-Synapse
an α2δ3-defizienten Mäusen analysiert.
Das Fehlen der α2δ3-Untereinheit reduzierte die Cav2.1-Ströme, welche die dominierenden
Ca2+-Ströme von reifen kultivierten SG-Neuronen von 3 Wochen alten Mäusen sind, um 60%.
Zudem zeigten α2δ3-defiziente Mäuse im Alter von drei Wochen deformierte und kleinere
Endbulb of Held-Synapsen. Überraschenderweise wurde bereits an P5, wenn P/Q (Cav2.1)-
Kanäle in SG-Neuronen noch nicht exprimiert werden, α2δ3 für eine normale Bildung von
Endbulb of Held-Synapsen benötigt. Dies weist auf eine spezifische Funktion von α2δ3 für
die Synapsentwicklung hin, die unabhängig vom P/Q-Ca2+-Strom ist.
Die Endbulb of Held-Synapse wurde auch in einer funktionellen α2δ2-null-Mutante
untersucht, da diese Mäuse verzerrte auditorische Hirnstammantworten in Welle I zeigten.
Ziel war es herauszufinden, wie sich die Deletion von α2δ2 auf die Synapsentwicklung
auswirkt. Die Analyse der Endbulb of Held-Synapse zeigte eine verringerte VGLUT1-
markierte Fläche der Axonterminale sowie eine geringere Anzahl von Boutons pro Bushy-
Zelle im Vergleich zum Wildtyp. Im Gegensatz zu IHCs exprimieren SG-Neurone mindestens
6 porenbildende α1-Untereinheiten und alle drei neuronalen α2δ-Untereinheiten α2δ1, 2 und 3. In dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass (i) nur Cav2.1 Kanäle durch das Fehlen der α2δ3 in
adulten Mäusen betroffen sind, (ii) α2δ3 eine Funktion in der synpatischen Entwicklung hat,
welche unabhängig von Cav2.1 Kanälen ist und (iii) auch das Fehlen von α2δ2 einen Effekt
auf die Entwicklung der „Endbulb of Held“ synapse in adulten Mäusen hat
Expression der LRRC52 γ-Untereinheit (γ2) und die Ca2+-unabhängige Aktivierung von BK-Kanälen in Inneren Haarsinneszellen der Maus
No full textDie calcium- und spannungsabhängigen big conductance (BK) Kaliumkanäle sind an einer Vielzahl physiologischer, aber auch pathophysiologischer Prozesse beteiligt. Sie werden in vielen unterschiedlichen Gewebstypen, einschließlich der Cochlea, exprimiert. In dieser finden die Schalltransduktion und die Weiterleitung der Signale über den Hörnerven ins Gehirn statt. Die BK-Kanäle sind in den reifen sensorischen inneren Haarsinneszellen (IHZ) für die schnelle Repolarisation des Rezeptorpotentials und die kleinen Membranzeitkonstanten verantwortlich, womit eine schnelle Reaktion auf Änderungen des Membranpotentials möglich ist.
Obwohl die BK-Kanäle in IHZ bereits bei einer Membranspannung von -75 mV mit einer halbmaximalen Aktivierungsspannung von -50 mV öffnen, ist der schnell aktivierende BK-Strom (IK,f) unabhängig vom Ca2+-Einstrom über spannungsgesteuerte Calciumkanäle (Cav1.3-Kanäle) am synaptischen Pol der IHZ. Dieses Paradoxon konnte bislang noch nicht aufgelöst werden. Ziel der Arbeit war es, einen alternativen Aktivierungsmechanismus für BK-Kanäle in Säugern nachzuweisen, der sich von der bekannten BK-Aktivierung mittels Ca2+-Einstrom durch benachbarte Cav1.3-Kanäle in Haarzellen von Vögeln, Reptilien und Amphibien unterscheidet.
Mit konfokaler Immunhistochemie wurde in dieser Arbeit die subzelluläre Lokalisation der porenbildenden BKα-Untereinheit im Vergleich zu den Tight Junctions, den Cav1.3-Kanälen und dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) in den IHZ von Mäusen untersucht. IHZ weisen zwei räumlich getrennte BKα-Subpopulationen auf, wobei die Hauptpopulation, die als Cluster am Hals der IHZ lokalisiert ist, die größte physiologisch noch sinnvolle Entfernung unterhalb der Tight Junctions zu den präsynaptischen Cav1.3-Kanälen aufweist. In der Nähe präsynaptischer Cav1.3-Kanäle konnte nur eine kleine BKα-Subpopulation identifiziert werden. BKα-Kanal-Cluster waren zudem nicht in der Nähe des ERs lokalisiert, welches als mögliche Ca2+-Quelle hätte dienen können.
Die Ca2+-unabhängige Aktivierung von BK-Kanälen bei negativen Potentialen kann durch die neu entdeckten γ-Untereinheiten, die Leucin-rich repeat-containing Proteine, LRRC26 (γ1) und LRRC52 (γ2), die in heterologen Expressionssystemen die halbmaximale Aktivierungsspannung der BK-Ströme um -140 mV bzw. -100 mV verschieben, ausgelöst werden.
Mit nested PCR, Immunfluoreszenzanalysen und dem in situ Proximity Ligation Assay (is-PLA) wurden unreife und reife Corti-Organe bzw. IHZ von Mäusen auf das Vorliegen von LRRC26 und LRRC52 analysiert. In reifen IHZ konnten mit nested PCR Transkripte für LRRC52, nicht jedoch für LRRC26 nachgewiesen werden. Konsistent dazu wurden keine LRRC26-Proteine, aber eine synchrone Hochregulation von LRRC52 und BKα mit Hörbeginn in den IHZ von Wildtyp-Mäusen identifiziert. Darüber hinaus kolokalisierten beide Proteine in Clustern am Hals der IHZ. Mithilfe des is-PLA wurde eine räumliche Nähe von ≤ 40 nm von LRRC52 und BKα nachgewiesen. Zusätzlich wurde in zwei Knockout-Mausmodellen, BKα-/- - und Cav1.3-/- -Mäusen, denen die BKα-Untereinheit fehlt, die Abwesenheit von LRRC52 in reifen IHZ festgestellt.
Die synchrone entwicklungsabhängige Hochregulation von LRRC52 mit BKα zu Hörbeginn, ihre Kolokalisation in einem Abstand von ≤ 40 nm am Hals der IHZ und die Abhängigkeit der LRRC52-Expression von der Anwesenheit von BKα weisen LRRC52 als γ2-Untereinheit der BK-Kanäle in IHZ aus. Ein funktioneller Nachweis bleibt zukünftigen Experimenten, z.B. der Analyse einer LRRC52-knockout-Maus, vorbehalten.The big conductance, voltage and calcium-activated K+ (BK) channels participate in a large variety of physiological but also pathophysiological processes. They are expressed in various tissues including the cochlea in both excitable and non-excitable cells. The cochlea transduces sound into transmitter release and converts the information to the auditory brainstem by the acoustic nerve. BK channels are responsible for fast repolarization of the receptor potential and small time constants of the mature inner hair cell (IHC), enabling it to respond very quickly to changes in membrane potential.
Although they activate at around -75 mV with a voltage of half-maximum activation of -50 mV the fast activating BK current (IK,f) is largely insensitive to Ca2+ influx through presynaptic voltage-gated calcium (Cav1.3) channels, a paradox that has not been resolved so far. The aim of this thesis was to identify an alternative activation mechanism for BK channels in mammalian IHCs distinct to the known BK channel activation by Ca2+ influx through adjacent Cav1.3 channels common to hair cells of birds, reptiles and amphibians.
Using confocal immunohistochemistry, the subcellular localization of the pore-forming BKα subunit with respect to tight junctions, Cav1.3 channels and the endoplasmic reticulum (ER) was analyzed in mature IHCs. IHCs show a subcellular spatial segregation of two BKα populations with the large population localized at the IHC neck directly underneath the tight junction ring at the largest possible distance from presynaptic Cav1.3 channels. A much smaller population of BKα channels was however identified in proximity to presynaptic Cav1.3 channels. BK channel clusters at the IHC neck were not localized close to the ER, which
could have served as an internal store for Ca2+.
Ca2+-independent activation of BK channels at negative potentials can be caused by newly detected γ subunits, the Leucin-rich repeat-containing proteins, LRRC26 (γ1) and LRRC52 (γ2), which upon heterologous expression can shift the voltage of half-maximum activation of the BK current by -140 mV and -100 mV, respectively.
Immature and mature mouse organs of Corti and IHCs were analyzed for LRRC26 and LRRC52 with nested PCR, immunofluorescence analysis and in situ Proximity Ligation Assay (is-PLA). In mature IHCs, transcripts for LRRC52 but not for LRRC26 could be detected using a nested PCR approach. Consistently, no LRRC26 protein expression was found in IHC of wildtype mice. However, a synchronous developmental up-regulation of LRRC52 with the pore-forming BKα subunit was identified at the onset of hearing resulting in the co-localization of both proteins in clusters at the IHC neck. Furthermore, a close proximity of LRRC52 and BKα within ≤ 40 nm was specified using is-PLA. Additionally, LRRC52 was absent from mature IHCs of BKα- and Cav1.3-deficient mice, which both lack BKα protein.
Taken together, the synchronous developmental up-regulation of LRRC52 with BKα at the onset of hearing, their co-localization within a distance of ≤ 40 nm at the IHC neck and the BKα-dependent expression of LRRC52 identify LRRC52 as γ2 subunit of BK channels in IHC. Future experiments are needed to functionally proof the role of LRRC52 for the activation of BK channels, e.g. using a LRRC52-knockout mouse model
Auswirkungen eines Schalltraumas auf das Hörvermögen von Mäusen mit modifiziertem Cav1.3-Calciumkanal (Cav1.3DCRDHA/HA) in Haarsinneszellen
No full textDer versteckte Hörverlust bezeichnet die Tatsache, dass ein akustisches Trauma, das eine temporäre (TTS), aber keine permanente Schwellenverschiebung (PTS) erzeugt, das Gehör dennoch irreversibel schädigen kann. Das Trauma zerstört einen Teil der Synapsen der inne- ren Haarzellen (IHZ), wodurch ein Teil jener Hörnervenfasern nicht mehr funktional ist, die für die Hörschwelle nicht relevant sind. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen eines Schall- traumas (Breitbandrauschen 8 - 16 kHz mit 100 dB SPL für 2 h) auf Wildtyp-Mäuse (C57BL/6N) und Cav1.3DCRDHA/HA-Mäuse (Knock-In-Mäuse mit einer Modifizierung des Cav1.3-Ca2+-Ka- nals auf C57Bl6/N-Hintergrund), kurz HA-Maus, untersucht. Der Maximalstrom an Ca2+-Ionen, der durch Cav1.3-Ca2+-Kanäle in die IHZ der HA-Mäuse fließt, ist um 30 % erhöht (Scharinger et al., 2015). Daraus resultierte die Hypothese, dass aufgrund von Calcium-Toxizität die HA- Mäuse empfindlicher auf das Schalltrauma reagieren. Die Fragestellung dieser Arbeit war, ob HA-Mäuse im Vergleich zu Wildtyp (WT)-Mäusen aufgrund der Cav1.3-Kanal-Manipulation vor der Vertäubung veränderte Hörschwellen haben und ob sie nach der Vertäubung veränderte TTS, PTS oder Summenaktivität der Hörnervenfasern zeigen. Zunächst wurden die Methode der Hörmessungen und die Vertäubungsmethode an 4 WT-Tieren im Labor etabliert. Das Hör- vermögen der Mäuse wurde durch die Messung akustisch evozierter Potentiale (ABR- Messungen) vor und zu verschiedenen Zeitpunkten nach Trauma bestimmt. Vor dem Trauma zeigten WT- und HA-Mäuse im Alter von 12 Wochen keine relevant unterschiedlichen Klick- oder frequenzspezifischen Hörschwellen. Ein Trauma von 100 dB SPL, 8 – 16 kHz für 2 h erzeugte eine frequenzabhängige TTS bei WT- und bei HA-Tieren v.a. im Hochtonbereich, wobei die akute Schwellenerhöhung bei HA-Tieren größer als bei WT-Tieren war. Die Rege- neration der Hörschwellen verlief bei HA-Tieren jedoch etwas besser als bei WT-Tieren. Vier Wochen nach dem Trauma zeigten WT-Mäuse eine PTS bei 22, 32 und 45 kHz. Im Gegensatz dazu trat eine PTS der HA-Mäuse nur bei 32 kHz und 45 kHz auf und fiel geringer aus. Die Amplitude der ABR-Welle I nahm bei 22 kHz bei den WT-Tieren am Tag 28 gegenüber Tag - 2 signifikant ab, ein Zeichen für den versteckten Hörverlust bzw. die cochleäre Synaptopathie. Die Reduktion der Welle I-Amplitude war bei den HA-Tieren deutlich geringer.
Die Hypothese, dass die HA-Tiere aufgrund des höheren Ca2+-Einstroms in die IHZ langfristig einen stärkeren Traumaschaden erleiden, muss daher verworfen werden. Im Gegenteil, die HA-Tiere wurden durch das Trauma in Bezug auf PTS und ABR-Amplitudenreduktion weniger beeinträchtigt. Vermutlich war die zusätzliche Ca2+-Belastung der IHZ von HA-Tieren nach dem 100 dB SPL-Trauma noch in einem moderaten Rahmen, in dem Ca2+-abhängige Signal- kaskaden zu effizienteren Reparaturprozessen als in WT-Tieren führten.An acoustic trauma, which causes a temporary (TTS) but not a permanent threshold shift (PTS)
can nevertheless irreversibly impact hearing, which is called hidden hearing loss. The trauma
destroys part of the synapses of inner hair cells (IHC), which leads to functional loss of part of
auditory nerve fibers that are not relevant for the hearing threshold. This thesis evaluates the
consequences of a noise trauma (white noise 8 -16 kHz at 100 dB SPL for 2 h) on wildtype
mice (C57BL/6N) and on Cav1.3DCRDHA/HA mice (knock-in mice with a modified Cav1.3 Ca2+
channel on C57BL/6N background), in short HA mouse.
In HA mice, the maximum current of Ca2+ ions flowing through Cav1.3 Ca2+ channels into IHCs
is increased by 30 % (Scharinger et al., 2015). Therefore, we hypothesized that due to Ca2+
excitotoxicity HA mice would respond more vulnerable to a noise trauma.
The aims of this thesis were to find out whether HA mice due to manipulation of the Cav1.3
channel had altered hearing thresholds before trauma and if they showed different TTS, PTS
or summed activity of auditory nerve fibers after trauma compared with wildtype (WT) mice.
First, the methods of hearing measurements and noise trauma application had to be estab lished in the laboratory using 4 WT mice. Hearing performance was assessed by measuring
acoustically evoked potentials (ABR measurements) before and at various time points after
trauma. Before trauma, WT and HA mice aged 12 weeks did not show any relevant differences
in hearing thresholds determined by click- and frequency-ABR. A trauma of 100 dB SPL, 8 –
16 kHz for 2 h elicited a frequency-dependent TTS in both WT and HA-mice mostly in the high
frequency region, with the acute TTS of HA mice being larger than in WT mice. Regeneration
of hearing thresholds however was slightly better in HA compared with WT mice. Four weeks
after the trauma, WT mice showed a PTS at 22, 32 and 45 kHz. In contrast, the PTS of HA
mice appeared only at 32 and 45 kHz and moreover was smaller. The amplitude of ABR wave
I at 22 kHz was significantly reduced in WT mice on day 28 compared with day -2 indicating
hidden hearing loss. In HA mice, the reduction of the amplitude of wave I was less pronounced.
In conclusion, HA animals did not suffer from a more pronounced damage after trauma despite
their increased Ca2+ current into IHCs. On the contrary, HA mice showed milder consequences
of the noise trauma with respect to both PTS and reduction of ABR amplitudes. We suggest
that the additional Ca2+ load of IHCs in HA mice caused by the 100 dB SPL trauma was in a
moderate range that triggered Ca2+-dependent signaling cascades and more efficient repair
processes than in WT animals
Biocompatibility studies for novel therapeutic strategies at the tympanic membrane level
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Anwendbarkeit und dem Nutzen neuartiger Strategien zur Behandlung zweier Ohrpathologien: zum einen der optoakustischen Stimulation des Hörsystems, die zur Behandlung von Hörverlusten eingesetzt werden soll. Zum anderen wurde die Applikation von selbstklebenden Silikonpflastern zum unkomplizierten und direkten Verschluss von Trommelfellperforationen untersucht. Zentraler Applikationsort beider Methoden war dabei das Trommelfell. Das Trommelfell ist ein essenzieller Bestandteil des Hörsystems und spielt eine wichtige Rolle für das Hörvermögen, da es die Schallwellen, die gesammelt durch den äußeren Gehörgang auf die dünne, elastische Membran treffen, aufnimmt und durch diese zum Schwingen gebracht wird, dem ersten Schritt im Hörvorgang. Andererseits fungiert es als Grenzfläche zwischen äußerem Ohr und Mittelohr auch als physiologische Barriere und schützt das Mittelohr vor dem Eindringen von Keimen. Ist das Hörvermögen eines Menschen eingeschränkt, z.B. durch altersbedingte Schwerhörigkeit, kommen Hörsysteme zum Einsatz. Diese dienen der symptomatischen Behandlung des Hörverlustes und sollen somit den Patienten wieder die Teilnahme am Leben ermöglichen. Nachteile der konventionellen Therapie sind allerdings eine geringe frequenzspezifische Auflösung des Eingangssignals mit folgender Differenzierungsstörung trotz ausreichender Verstärkung, geminderter Tragekomfort durch einen Verschluss- und damit verbundenen wiederkehrenden Entzündungen des äußeren Gehörganges usw.
Die optoakustische Stimulation bietet eine alternative Stimulationsmethode des Hörsystems mit einer zu erwarteten erhöhten Frequenzauflösung und gleichzeitiger Verbesserung des Tragekomforts, da der Verschluss des Gehörganges bei Nutzen dieser Methode entfallen würde. Dabei werden kurze Laserpulse eingesetzt, um Vibrationen im bestrahlten Gewebe, z.B. dem Trommelfell oder weiteren vibrationsfähigen Komponenten des peripheren Hörsystems, zu erzeugen. Als grundsätzlicher Baustein dieser neuen Stimulationsmethode war ein Ziel dieser Arbeit die Analyse ihrer Biokompatibilität, welche im Tiermodell und in Zellkulturen untersucht wurde. Hierbei konnte am Trommelfell der Maus gezeigt werden, dass für einen gepulsten Laser, mit 532 nm Wellenlänge, ab einer Schwelle von 89 mW mittlerer Laserleistung, Zonen mit apoptotischen und nekrotischen Zellen entstanden, die mit steigender Laserleistung in ihrer Größe zunahmen. Es konnte kein negativer Einfluss auf das Hörvermögen der Tiere durch die Stimulation nachgewiesen werden. In Zellkulturversuchen mit drei humanen Zelllinien konnte gezeigt werden, dass die erhaltenen Schädigungsschwellen je nach Zelllinie deutlich höher waren. Außerdem konnte hier eine reduzierte Zellviabilität nachgewiesen werden, die wiederum abhängig von der Strahlungsintensität war und sich in der Ausprägung zwischen den Zelllinien unterschied. Überdies wurden durch die Bestrahlung regulatorische Prozesse in den Zellen induziert, die sich über Genexpressionsanalysen nachweisen ließen.
Das Hörvermögen kann, neben der Altersschwerhörigkeit, auch durch Trommelfellperforationen maßgeblich beeinträchtigt sein. Durch die Perforationen wird die Schallweiterleitung erheblich geschwächt und es entsteht eine Schallleitungsschwerhörigkeit. Des Weiteren können durch die Perforation Keime in das Mittelohr eindringen und dort akute Entzündungen auslösen, die weitreichende Folgen, etwa die Entstehung von chronischen Prozessen und die Bildung von Cholesteatomen, mit sich bringen können. Um eine direkt wirksame Behandlung von Trommelfellperforationen zu ermöglichen, hat die AG um Prof. Dr. Arzt vom Leibniz Institut für Neue Materialien (INM) in Kollaboration mit uns selbsthaftende Silikon-Pflaster zur Abdeckung der Perforationen entwickelt. Diese wurden in zwei verschiedenen Ausführungen, unstrukturiert und mikrostrukturiert, produziert und dienen, neben dem Verschluss, später auch der verbesserten Heilung der verletzten Trommelfelle. Beide Pflaster zeigten sich ex vivo als gut haftend auf dem Trommelfell der Maus. In vivo, im lebenden, narkotisierten Tier, fanden wir signifikant erhöhte Hörschwellen und signifikant reduzierte Distorsionsprodukte otoakustischer Emissionen (DPOAE) nach Induzieren einer Perforation. Das Abdecken der Perforation mit den neuartigen Pflastern erhöhte die DPOAE-Signale signifikant, die Hörschwellen in der Click-ABR (engl. auditory brainstem responses)-Messung wurden hingegen nicht signifikant verbessert. In weiteren Versuchen konnten wir zeigen, dass die Applikation von dickeren Pflastern keine signifikante Verbesserung der DPOAE-Signale mit sich brachte. Das Aufbringen der Pflaster auf das gesunde Trommelfell führte bei der dicken und der dünnen Ausführung zu einer signifikanten Reduzierung der DPOAE-Signale.
Zusammenfassend erbrachten beide therapeutische Ansätze vielversprechende Ergebnisse, die zusammen mit weiteren translationalen Untersuchungen, auf einen zukünftigen Einsatz im klinischen Alltag hoffen lassen.The presented thesis investigated the applicability and benefit of two innovative therapeutic strategies for the treatment of ear pathologies: on one side, the optoacoustic stimulation as an alternative stimulation method for the hearing system affected by hearing loss. On the other hand, the application of self-adhesive silicone patches for the simple and direct coverage of tympanic membrane perforations. The central site of application of both methods thereby was the tympanic membrane. The tympanic membrane, or eardrum, plays an essential role for the hearing function, as it collects incoming sound waves, traveling from the outer ear canal and is thereby set into vibrations, the first step of the hearing process. Furthermore, the eardrum forms the interface between the outer ear and the middle ear and functions as a physiological barrier to protect the middle ear from the entering of pathogenic germs.
If the hearing function of people is impaired e.g., by presbycusis, age-related hearing loss, hearing aids are needed. Conventionally, patients get supplied with hearing aids that are meant to compensate the hearing loss symptomatically aiming to enable the patients to participate in everyday life. The main drawbacks of conventional hearing aids are the insufficient frequency resolution of the input signal leading to insufficient auditive discrimination of sounds despite sufficient amplification, discomfort wearing them in the occluded ear canal and because of occlusion, recurrent infections.
The optoacoustic stimulation offers an alternative stimulation method with an estimated high frequency resolution and a non-occlusive way of application. Thereby, short laser pulses are used to induce vibrations in irradiated tissues e.g., the tympanic membrane or further vibratory components of the peripheral hearing system. As one basic element of this innovative stimulation method, one major goal of the presented work was the investigation of its biocompatibility that was performed in an animal model and in cell culture experiments. The optoacoustic stimulation at the murine tympanic membrane, with our currently used laser parameters, was demonstrated to be safe up to 89 mW. Areas with apoptotic and necrotic cells could be detected starting at 89 mW and increased in their dimensions with rising laser power. We could not identify any negative effect of the stimulation on the hearing function of these animals. In cell culture assays of three human cell lines, our group noticed significantly higher damage thresholds, depending on the irradiated and analyzed cell line. Furthermore, the cell viability was reduced through irradiation with an intensity that was depending on the irradiation power and the respective cell line. Also, regulatory processes were induced by irradiation in the cells, which were investigated by gene expression analysis.
Besides age-related hearing loss, eardrum defects play a crucial role in the loss of hearing function as well. Tympanic membrane perforations significantly affect sound transmission, and a conductive hearing loss occurs. Furthermore, pathogenic germs may enter the middle ear through the perforated membrane, predictably leading to acute inflammations that may cause multiple complications up to chronic inflammatory processes and cholesteatoma formation. To allow a very direct and quick therapeutic method for tympanic membrane perforations, in collaboration with the group led by Prof. Dr. Eduard Arzt from the Leibniz Institute for New Materials (INM), self-adhesive silicone patches have been designed. Two different conformations of these patches have been analyzed and presented in this work. The unstructured and the microstructured patches aimed to cover the perforation and to support the healing process in the future. The patches demonstrated ex vivo good adhesive characteristics on the murine tympanic membrane. In vivo, acute eardrum perforations in anesthetized mice induced significantly increased hearing thresholds and significantly reduced distortion product otoacoustic emissions (DPOAE) signals. Covering the perforation with our patches, significantly increased the DPOAE signals, however, the click-ABR thresholds were not significantly affected. In further experiments, we demonstrated that applying patches with higher thicknesses could not improve the DPOAE signals anymore. Additionally, the application of thin and thick patches on the intact tympanic membrane reduced the DPOAE signals significantly.
To sum up, both innovative therapeutic strategies at the eardrum level demonstrated significant positive results warranting further translational work that could introduce them into the daily medical practice
Effects of noise traumata of different strengths on hearing functions of C57BL/6N mice
No full textNoise-induced hearing loss is a common pathology in humans. Mice serve as model organism for unraveling the underlying mechanisms. Moderate noise (100 dB SPL, 2 h, 8 -16 kHz) can irreversibly damage the cochlea by destroying part of the presynapses and/or postsynapses of the inner hair cells in the high frequency region without permanently increasing hearing thresholds. This phenomenon termed hidden hearing loss was first demonstrated by Kujawa and Liberman (2009) in CBA/CaJ mice. The C57BL/6N mouse line has been widely used for genetic manipulation, e.g. for generating knock-out and knock-in mice, which can help to gain mechanistic insights into noise-induced hearing loss. The aim of this thesis was to explore hearing function after application of two different noise traumata - 106 and 112 dB SPL - in C57BL/6N mice.
Hearing function was assessed two days before, directly after trauma and up to four weeks after trauma by auditory brainstem response (ABR) audiometry with click and pure tone stimulation. A previously applied noise trauma of 100 dB SPL (2 h, 8-16 kHz octave band, (Nasri, 2023)) caused a permanent threshold shift at 45 kHz in C57BL/6N mice. The more intense traumata applied in this study (106 and 112 dB SPL) caused a larger damage. Both the amount of temporary (TTS) as well as permanent threshold shifts (PTS) and the range of affected frequencies scaled with trauma strength. In the case of TTS, recovery was almost complete on day 14. Four weeks after the 106 dB SPL trauma, the amplitude growth functions of ABR waves I were reduced for the frequencies of 11, 16, and 22 kHz, which indicates loss of functional synaptic connections between inner hair cells and spiral ganglion neurons. In a fellow dissertation, Philipp Schätzle showed trauma-induced loss of ~50 % of synaptic ribbons in inner hair cells in the mid-basal region (Blum et al., 2024), which was largely responsi-ble for the reduction of the amplitude of ABR wave I by 72 % at 22 kHz four weeks after the 106 dB SPL trauma.
Similarly, growth functions of ABR wave I amplitudes evoked by click stimulation were reduced four weeks after both the 106 and the 112 dB SPL trauma. Mean amplitudes of click-ABR 40 dB over threshold were reduced for the waves I to V four weeks after the 106 dB SPL trauma and for waves I, III, IV, and V four weeks after the 112 dB SPL trauma. By contrast, peak latencies of waves I to V at 40 dB over threshold were not altered by either trauma suggesting that latencies of click responses relative to threshold are not a sensitive measure for loss of functional connections between inner hair cells and spiral ganglion neurons.
Although both the 106 and the 112 dB SPL trauma did not cause cellular outer hair cell loss (Blum et al., 2024) a functional impairment of outer hair cells is likely, which will lead to increased hearing thresholds independent of the loss of threshold-determining auditory nerve Ia fibers. Future studies on hidden and overt hearing loss in genetic mouse models therefore should not only analyze ABR properties and the fate of pre- and postsynapses but also include measurements of the distortion product otoacoustic emissions as an indicator of outer hair cell function
The role of nuclear factor kappa B in the radiation-induced bystander response
No full textRadiation-induced bystander effects play a special role in the cellular response to ionizing radiation. Besides direct consequences of radiation exposure such as cell death, cell cycle arrest and deoxyribonucleic acid (DNA) repair, signaling pathways are activated that result in the secretion of different factors for intercellular communication (cytokines, radicals, damage markers and extracellular vesicles). These factors incite multiple effects in nearby non-irradiated target cells (bystander cells), among those are induction of DNA damage as well as further signal transduction. DNA damage in bystander cells can lead to cell death or activation of repair, similar to direct irradiation responses. Continuing activation of signaling pathways leads to further secretion of signaling factors thereby amplifying and promoting the damage signal originating from the irradiated cell. A key molecule in intra- and intercellular signal transduction is the transcription factor nuclear factor kappa B (NF-kappa B). Target genes of the transcription factor encode proteins that affect intracellular processes like repair and cell cycle progression as well as cytokines that are secreted for intercellular communication. In this work the role of NF-kappa B in the radiation-induced bystander response was investigated. To this end, embryonic fibroblasts from wildtype (wt) and NF-kappa B essential modulator (NEMO) knock-out (ko) mice were used. In these NEMO ko murine embryonic fibroblasts (MEF), the NF-kappa B response is dysfunctional. Direct X-ray exposure of MEF wt cells resulted in reduced survival, induction of premature senescence at high doses, cell cycle arrest in G2/M phase and DNA double strand breaks (DSB) that were partially repaired with time. Furthermore, X-irradiation of MEF wt cells led to nuclear translocation of the NF-kappa B subunit p65, indicating activation of NF-kappa B. MEF NEMO ko cells show a similarly reduced survival upon X-irradiation, a more sensitive response regarding senescence induction, cell cycle arrest in G2/M phase and DNA DSB induction compared to MEF wt. Bystander MEF cells were incubated with culture medium conditioned by irradiated cells. MEF wt bystander cells show NF-kappa B activation, a dose threshold-dependent reduction of cellular survival, induction of premature senescence and induction of DNA DSB, but no changes in cell cycle progression. MEF NEMO ko bystander cells show an increased survival fraction after treatment with conditioned medium and a more sensitive response regarding senescence induction, but no changes in cell cycle progression similar to MEF wt cells. The amount of DNA DSB in MEF NEMO ko bystander cells depends on incubation time and conditioning dose. The survival response of bystander cells has been found to depend on the NF-kappa B status of the recipient cells, indicating involvement of NF-kappa B in the amplification and transmission of the bystander signal.Strahlen-induzierte Bystander Effekte spielen bei der zellulären Reaktion auf ionisierende Strahlung
eine besondere Rolle. Neben den direkten Folgen von Strahlenexposition wie Zelltod, Zyklusarrest
und Reparatur werden zusätzlich Signalwege aktiviert, an deren Ende verschiedene Faktoren für die
interzelluläre Kommunikation ausgeschüttet werden (Zytokine, Radikale, Schadensmarker und
extrazelluläre Vesikel). Diese Faktoren lösen in naheliegenden nicht-bestrahlten Zielzellen (Bystander
Zellen) diverse Effekte aus, unter anderem DNA-Schäden und weitere Signaltransduktions-Prozesse.
DNA-Schäden in Bystander Zellen können, ähnlich den direkten Strahlenfolgen, zu Zelltod oder
Reparatur führen. Anhaltende Aktivierung von Signalwegen führt zu erhöhter Ausschüttung von
Signalfaktoren. Dadurch kommt es zu einer Verstärkung und Weiterleitung des Schadenssignals,
welches von der bestrahlten Zelle ausgeht. Ein Schlüsselmolekül in intra- und interzellulärer
Signaltransduktion ist der Transkriptionsfaktor nuclear factor kappa B (NF-kappa B). Die Zielgene des
Transkriptionsfaktors kodieren Proteine, welche intrazelluläre Vorgänge wie Reparatur und
Zellzyklusverlauf beeinflussen, sowie Zytokine, die ausgeschüttet werden, um interzelluläre
Kommunikation zu ermöglichen. In dieser Arbeit wurde die Rolle von NF-kappa B in der
strahleninduzierten Bystander Antwort untersucht. Dazu wurden embryonale Fibroblasten von
wildtyp (wt) und NF-kappa B essential modulator (NEMO) knock-out (ko) Mäusen verwendet. In diesen
NEMO-ko murinen embryonalen Fibroblasten (MEF) ist die NF-kappa B-Antwort dysfunktional. Exposition
mit Röntgenstrahlung bewirkte in MEF-wt-Zellen eine reduzierte Überlebensfähigkeit, sowie
Induktion von früher Seneszenz bei hohen Dosen, Zellzyklusarrest in der G2/M Phase und DNA
Doppelstrangbrüche (DSB), welche mit der Zeit teilweise repariert wurden. Des Weiteren führte
Röntgenbestrahlung von MEF-wt-Zellen zur einer nukleären Translokation der NF-kappa B Untereinheit
p65, was eine Aktivierung von NF-kappa B erkennen lässt. MEF-NEMO-ko-Zellen zeigten ein ähnlich
reduziertes Überleben und eine sensitivere Reaktion bezüglich der Seneszenz-Induktion, des
Zellzyklusarrestes und des DNA-DSB-Aufkommens verglichen mit MEF-wt-Zellen. Bystander-MEFZellen
wurden mit Kulturmedium inkubiert, welches von bestrahlten Zellen konditioniert wurde.
MEF-wt-Bystander-Zellen zeigten NF-kappa B Aktivierung, eine Dosis-Schwellenwert-abhängige
Reduzierung des Überlebens, das Auftreten von früher Seneszenz und von DNA-DSB, allerdings keine
Veränderung der Zellzyklusprogression. MEF-NEMO-ko-Bystander-Zellen wiesen eine erhöhte
Überlebensfraktion auf, nachdem sie mit konditioniertem Medium behandelt wurden, sowie ein
sensitiveres Seneszenz-Auftreten, jedoch – ähnlich den wt-Zellen – keine Veränderung der
Zellzyklusprogression. Die Anzahl von DNA-DSB in MEF-NEMO-ko-Bystander-Zellen war abhängig von
der Inkubationszeit und der Konditionierungsdosis. Die Überlebensantwort von Bystander-Zellen hing
vom NF-kappa B Status der Empfängerzellen ab, was impliziert, dass NF-kappa B an der Verstärkung und
Übertragung des Bystander-Signales beteiligt ist.Scholarship of the Helmholtz Space Life Sciences Research School (SpaceLife), German Aerospace Center (DLR; Cologne, Germany), which was funded by the Helmholtz Association during a period of 6 years (grant VH-KO-300) and received additional funds from the DLR, including the Aerospace Executive Board and the Institute of Aerospace Medicine. The work was supported by the DLR grant FuE-Projekt ‘‘ISS LIFE’’ (Program RF-FuW, program part 475)
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