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Clear cell renal cell carcinoma is the most frequent malignant kidney tumor in adults. It is often associated with biallelic VHL mutations. We characterized our cell lines according to their HIF expression pattern. Cell lines RCC4, UOK-220 and CaKi-2 were assigned to subtype H1H2, cell lines 786-O and A-498 were assigned to subtype H2 and cell lines CaKi-1 and Rc-124 were assigned to subtype VHLwt.
Previous work of our group had shown, that p53 can be activated in ccRCC following irradiation but is not able to induce apoptosis. An important link to p53 activity with strong antiapoptotic qualities is the NFB pathway, which can be activated e. g. by irradiation.
We irradiated the three subtypes previously established as well as two control cell lines, SAOS-2 (p53 negative cell line) and HEK 293 (contains functioning p53) with 2 Gy and 10 Gy and analyzed several proteins of the pathway by using western blots. Several target genes with antiapoptotic qualities were analyzed by using rt-PCR.
We found, that out of the cell lines analyzed, both control cell lines (SAOS-2, HEK 293) showed the strongest response (activation of the NFB pathway) following irradiation. Among the three ccRCC subtypes the VHLwt cell lines showed the strongest response. H2 cell lines showed almost no response at all.
A connection between the missing ability of p53 to induce apoptosis and an induction of transcription factors by the NFB pathway could not be determined. We also could not determine biological differences between the subtypes.
We analyzed, whether any NFB proteins were present in the nucleus following irradiation and found, that only p50 homodimers were present in the nucleus. This might point towards p50 homodimers, which have been described to have different characteristics than heterodimers. More research is needed to analyze this important finding.
Recent experimental campaigns in the Wendelstein 7-X stellarator, a
plasma-confining device designed to investigate the Magnetic Confinement Fusion
(MCF) approach to generating electrical power, have shown that the injection of
fuelling pellets had an unexpected and considerable impact on the performance of
the plasma. Rather than simply refuelling the device and `diluting' the plasma
energy, pellet injection is followed by a significant increase in the ratio of
the ion temperature to the electron temperature. It has been suggested that this
is not merely due to the improved confinement following the reduction of
turbulent transport after the pellet material has homogenised with the bulk
plasma, but also due to a direct transfer of energy from electrons to ions. The
proposed mechanism for this energy transfer is the ambipolar expansion of the
pellet plasmoid, the localised plasma structure produced by the
ionisation of ablated pellet material, along magnetic field lines.
Early work on pellet plasmoid expansion predicted that half the heating power
deposited in plasmoid electrons by collisions with hot ambient electrons is
transferred to plasmoid ions in the form of flow velocity as the plasmoid
expands. The complicated nature of the system of the pellet plasmoid embedded in
the ambient plasma, particularly the behaviour of electrons, which experience
many collisional and collisionless phenomena on multiple disparate timescales,
means that early models of the expansion were not wholly self-consistent, but
rather made use of strong approximations that apply in some regions of the
plasmoid but not in others. For example, only electrons and ions associated with
the plasmoid were rigorously treated, meaning that the framework was one of
`expansion into vacuum'. Combined with the assumption of Maxwellian electrons,
this led to an electric potential that was unbounded at infinity. Naturally, the
validity of the conclusions of such a model are called into question because the
approximations lose their validity far from the plasmoid and as time advances,
yet predictions about the final state of the plasma are desired. A deeper
investigation is required: careful consideration of the phenomena in question
and the timescales (and lengthscales) on which they act must be made in order to
rigorously construct a model that is valid throughout the entire expansion.
The first two papers presented in this thesis iterate on the model established
in the paper that first predicted the electron-to-ion energy transfer; their aim
was to find out how the character of the expansion changes with a more
sophisticated and accurate description of various phenomena, while remaining
within the existing framework of expansion into vacuum. Ultimately, we find that
the qualitative character is unchanged, and that approximately half the heating
power deposited in plasmoid electrons is transferred to ions.
Two other papers in this thesis address the limitations of the original model.
This is achieved by properly considering the electron kinetic problem in a
plasmoid. One paper considers the electron kinetic problem when electrons are
highly isotropised. In this case the kinetic equation can be integrated to
remove all but two independent variables, which is the maximum possible
reduction considering it is a time-dependent problem. The full nonlinear
integro-differential Landau self-collision operator is integrated exactly and
few approximations are made, leading to a rather general kinetic equation.
However, for fuelling pellets some anisotropy in the electron distribution is
expected. Another paper considers the electron kinetic problem (and the entire
plasmoid expansion) allowing for electron anisotropy. Careful consideration of
the ordering of timescales of electron phenomena in a pellet plasmoid leads to a
steady-state kinetic problem that we call collisional quasi-equilibrium (QE). QE
appears in many ways similar to the collisional steady-state characterising a
true thermal equilibrium. It was found that the time-dependent kinetic problem
of the earlier paper, with isotropic electrons, produces the QE distribution
function, corroborating the existence of the QE state. We then take moments of
the electron kinetic equation that is valid on the expansion timescale, assuming
that the electron distribution is that given as the solution to the QE kinetic
problem. This is completely analogous to what is done to obtain the Braginskii
equations or any Chapman-Enskog theory. The result is a set of equations for the
long-term evolution of the macroscopic quantities that describe the distribution
function existing in a quasi-steady-state at each point in time. It is from this
point that one may feasibly describe the plasmoid expansion with an accurate
picture of the electron kinetics and finally obtain the electron-to-ion energy
transfer so desired in a rigorous model of the expansion.
From a broader point of view, the two frameworks provided by these rigorous
investigations of the electron kinetic problem serve as a basis for the future
study of plasmoids. Such a `first-principles' approach to plasmoid dynamics is
novel and interesting in its own right, but it will be demonstrated that such an
approach is essential for pellet plasmoids owing to the fact that they are
poorly described by the `standard tools' of plasma physics.
Using the QE framework it was found that, once more, about half the heating
power experienced by plasmoid electrons is transferred to plasmoid ions. The
incredible robustness of the prediction of such an energy transfer is, in the
author's opinion, the result of the self-similar nature of the expansion found
as a solution to the original model. As a rule, the profiles of self-similar
solutions tend to be attractors for the `real', more complicated, system, and
the qualitative predictions involving no parameters, of which the
electron-to-ion energy transfer is one, tend to be very sturdy.
Aside from fuelling pellets, composed of hydrogen or deuterium, one paper in
this thesis investigates the physics of high-Z pellets that are designed to
terminate the plasma safely in the event of a `disruption', where much of the
magnetic field energy is channelled into a runaway electron beam with
potentially disastrous consequences if the beam encounters a plasma-facing
component. The paper draws on the work carried out in the paper concerning the
kinetic problem of isotropised electrons in a plasmoid.
This thesis is `cumulative'; the vast majority of the work carried out is
described within a set of Papers, labelled A-E, placed at the back of the text.
There is a preceding `wrapper text' (given in numbered Sections) tasked with
introducing the reader to the topic, guiding the reader through the papers, and
expounding some of their main results. Some amount of material not present in
the papers is also provided in the wrapper text. Naturally, the wrapper text
mainly focusses on the results of the papers which are under my first
authorship. In the course of publishing papers over an extended period of time
the nomenclature is bound to vary. Although it is mostly consistent between the
papers, a few difference do arise, and the section `Common symbols and
subscripts' is provided in the frontmatter to alleviate confusion. Particular
care should be taken with the symbols x and z; both can refer to the
coordinate parallel to the magnetic field line, but in papers where z is used
for this purpose x tends to have another definition. In the wrapper text the
choice of symbols is generally chosen to reflect those in the corresponding
paper.
Ein wichtiges Nachsorgekonzept nach erfolgter Parodontitistherapie besteht im Angebot einer Unterstützdenden Parodontitis Therapie (UPT). Hierfür stehen herkömmliche Methoden wie Hand-, Schall- und Ultraschallinstrumente einerseits sowie Luft-Pulver-Wasserstrahlgeräte andererseits zur Verfügung.
Die vorliegende Arbeit untersucht in diesem Kontext einen spezifischen Aspekt der Luft-Pulver-Wasserstrahltechnik. Es soll betrachtet werden, welche Wirkung niedrig-abrasive Prophylaxepulver auf die Farbstabilität von Zahnschmelz haben und wie dieser Effekt sich im Vergleich zu herkömmlicher Zahnpolitur mit Polierpaste darstellt. Ein weiterer Beitrag der Studie besteht in der eigenständigen Entwicklung eines in-vitro Modells, in dem das Färbeverhalten von Zahnoberflächen reproduzierbar erfasst werden kann.
Insgesamt liegen aus dieser Untersuchung Daten von 152 extrahierten Zähnen vor, welche durch verschiedene Verfahren oberflächlich behandelt und anschließend in eine Färbelösung aus Kaffee gegeben wurden. Die Zahnfarben wurden zu verschiedenen Zeitpunkten mittels digitaler Bildanalyse bestimmt.
Im gewählten Versuchsaufbau (Durchlauf 1 und 2) ließ sich zunächst kein signifikanter Unterschied im Färbeverhalten nach Behandlung mit den Prophylaxepulvern Airflow Plus, Airflow Perio (EMS, Nyon, Schweiz) oder der Polierpaste Cleanic Prophy Paste flouride (Kerr Hawe, Bioggio, Schweiz) feststellen. Die Anwendung der verglichenen drei Produkte nach Herstellerangaben in der Studiensimulation erbrachte demnach keine signifikanten Verfärbungsunterschiede. Erst eine Modifikation des Versuchsablaufs im 3. Durchlauf, bei welchem die Zahnproben zusätzlich mit einer gesättigten Lösung aus Prophylaxemittel und Aqua Dest exponiert wurden, konnte einen signifikanten Einfluss des Prophylaxepulvers Airflow Plus auf das Färbeverhalten zeigen. Es ist von einem chemischen Einfluss des Inhaltsstoffes Chlorhexidin im Pulver Airflow Plus auszugehen, welcher in einer Konzentration von ≤0,3% im Pulver enthalten ist.
Diese Nebenwirkung ist aus der Praxis und aus der Literatur bekannt und wurde bereits in zahlreichen Untersuchungen bestätigt.
Gegenstand zukünftiger Arbeiten könnte die Untersuchung des Einflusses des Hauptbestandteils Erythritol auf das Färbeverhalten von Zahnoberflächen sein, oder der Einfluss höherer Druck- und Wassereinstellungen des Prophylaxegerätes. Des weiteren könnte ein Einfluss speziell auf das Färbeverhalten von Dentin oder Kompositrestaurationen durch das Prophylaxepulver EMS Airflow Plus und seine einzelnen Bestandteile untersucht werden.
Der Vergleich der Ernährungsgewohnheiten zweier populationsbasierter Kohorten
zeigt signifikante regionale Unterschiede in Deutschland. Anhand der in Vorpommern
ansässigen SHIP-Kohorte und der KORA-Kohorte der Region Augsburg lassen sich
sowohl Aussagen zu einem möglichen Nord-Süd-Gefälle als auch zu persistierenden
Unterschiede zwischen neuen und alten Bundesländern nach der deutschen
Wiedervereinigung treffen. In Vorpommern wird der Verzehr von Fleisch, Fisch, Obst
und Softdrinks häufiger angegeben. In der Region Augsburg dagegen ist die
Verzehrhäufigkeit von Gemüse und Cerealien höher. Mit dem ebenfalls erhobenen
Food Frequency Score lässt sich die Qualität der Ernährung messen und anhand einer
Bewertungsmatrix der einzelnen Nahrungsmittelkategorien in Beziehung zu deren
Wert gemäß den Ernährungsempfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung
vergleichen. Die südwestdeutsche KORA-Kohorte weist einen höheren Score und
damit eine ausgewogenere Ernährung auf als die nordostdeutsche SHIP-Kohorte. Die
regionalen Unterschiede in den Ernährungsgewohnheiten bieten eine mögliche
Erklärung für die regionalen Unterschiede in der Lebenserwartung sowie in der
Prävalenz der Wohlstandserkrankungen. Die Ernährungsweisen in beiden Regionen
werden von bestimmten soziodemographischen Faktoren beeinflusst. Alter,
Geschlecht, Bildungs- und Einkommensstatus sind die Faktoren, deren Einfluss
untersucht wurden. Im Wesentlichen zeigen sich die Differenzen zwischen den
Kohorten in gleicher Ausprägung, auch unabhängig vom Geschlecht. Nur für einzelne
Lebensmittelgruppen besteht ein stärkerer Effekt. Bei Vergleich dreier Altersgruppen
ließ sich feststellen, dass die regionalen Unterschiede am deutlichsten in der Gruppe
der 60-80-jährigen sind. Das Einkommen hat in einzelnen Nahrungsmittelgruppen
keinen signifikanten Einfluss auf den Unterschied zwischen den Kohorten. Eine höhere
Schulbildung dagegen verringert die Differenz zwischen SHIP und KORA bezogen auf
den Verzehr von Sättigungsbeilagen, Fisch und Eiern. Diese Assoziation kann jedoch
nicht auf andere Lebensmittelkategorien übertragen werden. Der Food Frequency
Score liegt bei der KORA Kohorte für alle untersuchten soziodemographischen
Faktoren höher als bei der SHIP Kohorte. Für männliche Teilnehmer und Teilnehmer
mit einer Bildungsdauer über 10 Jahren ist der Effekt signifikant größer. Die Faktoren,
die mit einer ungesünderen Ernährungsweise assoziiert sind, bieten also
Angriffspunkte für Präventionsmaßnahmen für einzelne Bevölkerungsgruppen.
Zusammenfassung
Die Verordnung einer Stressulkusprophylaxe im Rahmen stationärer Aufenthalte ist im medizinischen Alltag weit verbreitet. Die Verschreibungspraxis einer SUP wurde bisher vor allem im Bereich der Intensivmedizin und der Inneren Medizin untersucht [33, 40, 42, 45, 46]. Allerdings konnte gezeigt werden, dass eine stressulkusbedingte gastrointestinale Blutung unter stationären Bedingungen ein sehr seltenes Ereignis darstellt [12,17]. Im Bereich chirurgischer, nicht kritisch erkrankter Patienten gibt es bislang nur wenige Studien zur aktuellen Praxis der Verschreibung einer SUP [16, 46].
Um die aktuelle Verschreibungspraxis einer SUP in einem chirurgischen Patientenkollektiv beschreiben und bezüglich des Vorliegens einer Indikation nach aktuellen Leitlinien charakterisieren zu können, wurden retrospektiv von Januar bis Juni 2016 Patientendaten an der Universitätsmedizin Greifswald erhoben und ausgewertet [49]. Des Weiteren erfolgte eine Untersuchung der landesweiten Verschreibungspraxis einer SUP auf der Basis einer Befragung der Abteilungsleiter und Mitarbeiter chirurgischer Abteilungen der Akutkliniken in Mecklenburg-Vorpommern [50].
Die Auswertung der retrospektiv erhobenen Patientendaten zeigte eindeutig, dass im weit überwiegenden Anteil der Patienten mit neu verordneter SUP keine Risikofaktoren für die Ausbildung von Stressulzera und stressulkusbedingten Blutungen vorlagen [49]. In 85.7-99.6 % der Patienten mit SUP konnte die Indikation für die Gabe nicht nachvollzogen werden [49].
Die Befragung chirurgisch tätiger Ärzte in Mecklenburg-Vorpommern zeigte, dass die Verschreibung der SUP nur in einer Minderzahl der Kliniken durch eine SOP geregelt war [50]. In den Kliniken mit vorhandener SUP war deren Inhalt nur einer Minderheit der klinisch tätigen Ärzte inhaltlich bekannt [50]. Eine kritische Reevaluation der Indikation einer SUP erfolgte nicht regelhaft bei Verlegung von Intensiv- auf die Normalstation oder bei Entlassung [50].
Die vorliegende Untersuchung zeigt, dass bei chirurgischen Patienten auch heute noch eine massive Überverschreibung einer medikamentösen Stressulkusprophylaxe zur medizinischen Routine gehört [49, 50]. Dabei scheint von den behandelnden Ärzten das Risiko eines Auftretens stressulkusbedingter Blutungen massiv überschätzt beziehungsweise den Patientengruppen nicht regelrecht zugeordnet werden zu können [49, 50]. Angesichts der Tatsache, dass den zur SUP verwendeten Medikamente eine zunehmend größere Zahl unerwünschter Nebenwirkungen (bakterielle Gastroenteritis, akute interstitielle Nephritis, Vitamin-B12-Mangel, ein erhöhtes Risiko für eine Covid-19-Infektion, ambulant und nosokomial erworbene Pneumonien, Demenzerkrankungen, Osteoporose sowie Elektrolytstörungen) zugeordnet werden kann, sollte die Verschreibung der SUP nach einem festen Indikationsschemas erfolgen und im Laufe des stationären Aufenthaltes wiederholt kritisch hinterfragt werden [23-27].
Die Entwicklung einheitlicher Empfehlungen und Richtlinien zur Handhabung von SUP und die Sensibilisierung chirurgisch tätiger Ärzte im Rahmen von Fort- und Weiterbildungen erscheint somit, angesichts der erarbeiteten Daten, dringend notwendig zu sein.
Diese Arbeit beschreibt die Konstruktion einer 3D-gedruckten modularen
Messapparatur (M3DOMA), die eine simultane Messung von Kraft und Drehmoment in allen drei Raumachsen (X, Y und Z) an drei beliebigen Zähnen des Zahnbogens erlaubt und in weiteren Ausbaustufen auf alle Zähne eines Zahnbogens erweitert werden kann. Die Messapparatur wird in Hinblick auf den Aufbau und dessen Eigenschaften, wie der Ruherausch, die Wiederholbarkeit, sowie die Verlässlichkeit der Messungen, beschrieben.
With high prevalence and mortality, myocardial infarction constitutes a social and economic burden in Germany and worldwide. Current guidelines for MI treatment require prompt reperfusion to salvage heart tissue and minimize short- and long-term complications. However, there are currently no treatments available to attenuate reperfusion injury. Ischemic as well as pharmacological post-conditioning have been identified as important clinical strategies to improve outcome. Membrane stabilizers, like Poloxamer 188 (P188), have been shown to improve myocardial ischemia reperfusion (IR) injury and mitochondrial function but have not yet been proven to directly offer mitochondrial protection. Mitochondrial function is crucial for cardiomyocyte function, and mitochondrial dysfunction plays an important role in myocardial injury.
In this study, hearts from 79 Sprague Dawley rats were isolated and perfused ex-vivo with oxygenated Krebs Buffer for 20 min before 30 min of no-flow ischemia. Hearts were reperfused for 10 min with Krebs buffer or 1 mM P188. Cardiac mitochondria were isolated with 1 mM P188 vs 1 mM polyethylene glycol (PEG) vs vehicle by differential centrifugation. Mitochondrial function was assessed as adenosine triphosphate (ATP) synthesis, oxygen consumption and calcium retention for complex I and II substrates of the respiratory chain.
An improvement of myocardial function with 10 min P188 post-conditioning could not be shown. Direct mitochondrial protection of P188 or PEG could not be observed in this model either. Further research is needed to ascertain whether P188 has a direct protective effect on mitochondria and, if so, on what pathways of IR injury it acts.
Die Migration von Endothelzellen unter hämodynamischen Flussbedingungen ist ein komplex regulierter Vorgang. In dieser Arbeit konnten die Aktivierung des Apelin-Rezeptors und die Zugabe von Statinen als Einflussfaktoren auf die Migration der Endothelzellen unter verschiedener Schubspannung identifiziert werden. Dabei wurden folgende Kernaussagen herausgearbeitet:
1. Der Apelin-Rezeptor reguliert die Endothelzellen-Migration in Abhängigkeit von der Schubspannung und dem Gefäßbett. In HUVEC wirkt der APLNR migrationsfördernd unter physiologischen Schubspannungen und migrationshemmend unter höheren Schubspannungen. Keinen Einfluss zeigt der APLNR auf die Migration von HCAEC.
2. Physiologische Statinkonzentrationen reduzieren die EC-Migration in HCAEC. Dies steht im Gegensatz zu der beschriebenen migrationsfördernden Wirkung von statinbehandelten HUVEC. In supraphysiologischen Konzentrationen zeigten sich Unterschiede zwischen dem lipophilen Atorvastatin und dem hydrophilen Pravastatin.
3. Die Wirkung der Statine auf die EC-Migration scheint teilweise über den APLNR zu erfolgen. Dies könnte möglicherweise abhängig von ihrer Lipophilie geschehen.
Hinsichtlich der klinischen Relevanz scheint insbesondere der Einfluss des APLNR auf die endotheliale Migration, sowie sein Zusammenspiel mit Atorvastatin von Bedeutung zu sein. In diesem experimentellen Setting konnte bei Betrachtung von arteriellen EC kein Vorteil eines der Statine bezüglich ihrer Migration herausgearbeitet werden. Inwieweit sich diese jedoch klinisch unterscheiden, müsste in in vivo Studien untersucht werden.
In Zusammenschau mit den Studien der aktuellen Literatur zeigte die hier vorliegende Arbeit besonders, wie stark zum Beispiel die Auswahl des Zellmodells die Ergebnisse beeinflusst. So lassen sich Arbeiten mit dem für Arteriosklerose oft gewählten HUVEC-Zellmodell kaum mit Experimenten an HCAEC vergleichen, obgleich es sich bei beiden um vaskuläre Endothelzellen handelt. Außerdem zeigte sich, dass die Wirkung der Statine oder der APLNR-Blockierung unter physiologischen Schubspannungen teilweise gegenteilig zu ihrer Wirkung unter höheren Schubspannungen ist.
In der individualisierten Medizin wird angestrebt für jeden einzelnen Patienten entsprechend seiner Erkrankungen, die optimalste Therapie zu finden. Wo Atorvastatin für den einen Patienten von Vorteil ist, sorgt bei einer anderen Patientin Pravastatin für mehr Sicherheit. Dass diese Wirkstoffgruppe nicht so homogen ist, zeigen die hier erhobenen Ergebnisse. Um den modernen Therapieansatz zu verfolgen, sollten auch die wissenschaftlichen Fragestellungen bezüglich der Wirkstoffgruppe der Statine konkreter abgestimmt beantworten.
In den Weltmeeren findet rund die Hälfte der jährlichen globalen Kohlenstofffixierung statt, davon ein großer Anteil in küstennahen Regionen. Hier kommt es zu wiederkehrenden saisonalen Algenblüten, die durch eine zeitlich begrenzte explosionsartige Vermehrung von Mikroalgen (hauptsächlich Diatomeen und Coccolithophoren) charakterisiert sind. Vor allem Frühjahrsblüten (März-Mai) haben aufgrund ihrer zeitlichen und räumlichen Vorhersagbarkeit einen hohen Stellenwert als Modellsysteme, anhand deren sich der Kohlenstoffkreislauf der Meere untersuchen lässt.
Mikroalgen produzieren eine große Vielfalt an Makromolekülen, die für die mit ihnen vergesellschafteten Bakterien als Nahrungsgrundlage dienen. Besonders im Fokus stehen hier die für den Kohlenstoffkreislauf relevanten Polysaccharide. Im Gegensatz zu anderen natürlichen Makromolekülen wie DNA oder Proteinen können Polysaccharide aus vielen verschiedenen Monomeren mit unterschiedlichsten Bindungen bestehen. Zusätzlich finden sich an diesen Zuckermonomeren viele Modifikationen wie Acetylierungen, Methylierungen oder Sulfatierungen, die die Komplexität weiter erhöhen. Diese Variabilität bedingt eine hohe strukturelle und funktionale Diversität. So können Polysaccharide Speicherstoffe, Zellwandbestandteile oder Teile der extrazellulären Matrix darstellen.
Komplementär hierzu besitzen Polysaccharid-verwertende Bakterien entsprechend komplexe, enzymatische Abbaumechanismen. Besonders hervorzuheben sind hier die Bakterien des Phylums Bacteroidota, die sich in verschiedensten Nischen auf den Abbau von Polysacchariden spezialisiert haben. Sie finden sich in Bodenproben, als Teil der menschlichen Darmflora, oder eben auch als bedeutende Begleiter von Algenblüten.
Bacteroidota (und in marinen Systemen hauptsächlich die zu ihnen gehörenden Flavobakterien) besitzen zum Abbau diverser Polysaccharide sogenannte Polysaccharide utilization loci (PULs), genomische Inseln, die alle notwendigen Proteine zur Aufnahme und Abbau eines bestimmten Polysaccharids codieren. Hierzu gehören hochspezifische Enzyme (Carbohydrate-active enzymes, CAZymes), transkriptionelle Regulatoren sowie Transportersysteme, die initial gespaltene Oligosaccharide über die Membran in das Bakterium transportieren, wo sie von weiteren Enzymen vollständig abgebaut werden. Diese Co-Lokalisation der benötigten Gene und deren gemeinsame Regulation stellt einen enormen Selektionsvorteil der Bacteroidota dar und ist der Grund, warum sie, ähnlich wie Algen, einer jährlich wiederkehrenden Sukzession folgen, die sich gut untersuchen lässt.Die Forschungsartikel, die Teil dieser Doktorarbeit sind, untersuchen das Zusammenspiel von Polysaccharid-produzierenden Algen mit den Bakterien, die sie abbauen, aber auch darauf basierende Beziehungen der Bakterien untereinander. Die erste Publikation beschäftigt sich mit dem weit verbreiteten Speicherpolysaccharid α-Glucan, für das der Großteil der blütenbegleitenden Bakterien einen spezifischen aktiven PUL besitzt. Eine Untersuchung der in der Blüte vorhandenen Algenarten bestätigte, dass die Blüte von β-Glucan-produzierenden Algen dominiert wird. Da Bakterien aber selbst α-Glucane als Speicherpolysaccharide verwenden, konnte gezeigt werden, dass nicht die Algen selbst, sondern die Bakterien Hauptproduzent dieser Polysaccharide während einer Phytoplanktonblüte sind. Bakterielle Proteine, die dem Abbau von Algen-β-Glucan und dem daraus folgenden Aufbau von bakteriellem α-Glucan dienen, waren in Umweltproben und in Laborkulturen unter ähnlichen Bedingungen abundant. Die Untersuchung von extrahiertem bakteriellem Polysaccharid bewies, dass dieses nicht nur α-Glucan enthält, sondern dass dieses Polysaccharid auch in der Lage war, α-Glucan PULs mariner Bakterien zu induzieren. Hier zeigte sich ein innerhalb des marinen Kohlenstoffkreislaufs bisher wenig berücksichtigter Kreislauf, indem Bakterien Polysaccharide anderer Bakterien nutzen, die z.B. durch Viren lysiert wurden.
Die anderen zwei Artikel dieser Arbeit befassen sich mit dem Abbau von Zellwandpolysacchariden durch blütenassoziierte Modellbakterien. In einer der Studien wird detailliert der Abbau eines β-Mannans (ein Polysaccharid das hauptsächlich aus dem Monosaccharid Mannose besteht) durch ein Bakterium des Genus Muricauda beschrieben. Die PUL-Struktur dieses Bakteriums kam in mehreren anderen Phytoplanktonblüten-assoziierten Bakterien vor. Diese Beobachtung wies darauf hin, dass es sich hier um ein Mannan mit zusätzlichen Galactose- und Glucose-Substitutionen handelte. Proteom-Untersuchungen bestätigten, dass das Bakterium derartige Substrate unter Induktion des β-Mannan-PULs nutzen können. β-Mannan konnte durch Antikörpermarkierung in Blütenproben sowie spezifischen Mikroalgenarten (Chaetoceros, Coscinodiscus) nachgewiesen werden. Die in dieser Publikation charakterisieren β-Mannan-PUL-codierten Enzyme waren in der Lage, dieses Signal zu löschen, was bewies, dass Muricauda sp. Mannan-basierte Zellwandpolysaccharide bestimmter Arten von Mikroalgen abbauen kann.
Die dritte Studie geht näher auf den Abbau von Xylanen (bestehend aus Xylose) durch ein blütenassoziiertes Bakterium des Genus Flavimarina ein. In diesem Bakterium wurden anhand der enthaltenen Xylanasen zwei putative Xylan-PULs annotiert. Wachstumsexperimente und Proteom-Untersuchungen zeigten, dass einer dieser PULs hauptsächlich bei Wachstum auf Glucoronoxylan induziert wird, während der andere PUL aufArabinoxylane stärker reagierte. Untersuchung der PUL-CAZymes bestätigte diese Ergebnisse durch Charakterisierung mehrerer Xylanasen sowie Glucoronidasen und Arabinofuranosidasen. Zusätzlich codierten beide PULs für Esterasen, die eine Modifikation der natürlichen Substrate durch Acetylierungen oder Methylierungen nahelegen. Da all diese Merkmale von terrestrischen Xylanen geteilt werden und in Blütenproben aus Küstennahen Regionen Xylane nachgewiesen wurden, ist es möglich, dass Bakterien aus solchen Regionen sowohl Xylane terrestrischen Ursprungs (z.B. durch Flusseinspeisung) sowie marinen Ursprungs abbauen können.
Für frühgeborene Kinder ist Muttermilch die empfohlene enterale Ernährung mit vielen bereits gut untersuchten positiven Effekten. Jedoch ist der Gehalt an Makronährstoffen zu niedrig, um die Bedürfnisse von Frühgeborenen zu decken. Zusätzlich zeigt native Muttermilch eine hohe inter- und intraindividuelle Variabilität der Makronährstoffe. Die Effizienz der allgemein verbreiteten Standardfortifizierung mit kommerziell erhältlichen Fortifiern ist durch diese Variabilität beeinträchtigt und kann so in einem Großteil der Muttermilchproben zu einer inadäquaten Nährstoffzufuhr führen, die zu niedrig, jedoch auch zu hoch ausfallen kann. Unzureichende Ernährung kann einen negativen Einfluss auf das Wachstum und die Körperzusammensetzung sowie Folgeerkrankungen im Erwachsenenalter haben.
Diese Studie zeigt anhand eines Datensatzes mit realen Messwerten zur Zusammensetzung der Muttermilch in über 3300 Proben, dass die Messung der Makronährstoffe in nativer Muttermilch und die anschließende, darauf basierende Targetfortifizierung mit der individuellen Ergänzung der fehlenden Makronährstoffen zu adäquaten Nährstoffeinträgen führt. Mit diesem Ansatz kann auf die Variabilität der nativen Muttermilch reagiert und die Variation der Makronährstoffeinfuhr signifikant verringert werden. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene optimierte Standardfortifier entwickelt. Deren Zusammensetzung erhöht den Makronährstoffeintrag bereits unter Standardfortifizierung, aber noch mehr bei ein oder zwei Muttermilchanalysen pro Woche.
Weiterhin wurde in dieser Arbeit der Einfluss der durch die verschiedenen Fortifizierungsstrategien erzeugten Nährstoffzufuhren auf die Wachstumsraten berechnet, die für Standardfortifizierung ungenügende und für Targetfortifizierung hauptsächlich zufriedenstelle Ergebnisse zeigt.
Verschiedene Kombinationen von Pooling mit bis zu drei Proben oder von Pooling einer größeren Anzahl wie in einer Milchbank zu Verfügung stehenden Proben verringerten nicht die Variabilität der Nährstoffzufuhr. Ebenso zeigte die Gefriertrocknung keine zufriedenstellenden Ergebnisse für alle Makronährstoffkonzentrationen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass standardfortifizierte Muttermilch trotz verschiedener Poolingstrategien keine adäquate Makronährstoffzufuhr für frühgeborene Kinder sicherstellt. Für den klinischen Alltag wird die Bedeutung der Targetfortifizierung deutlich, die mit regelmäßiger Muttermilchanalyse und unter Anwendung optimierter Standardfortifier zufriedenstellend gelingen kann und so zu physiologischen Wachstumsraten führen kann.
Our study examined whether potentially critical indications from depression questionnaires, interviews, and single items on suicidal ideation among partici-pants in a large prospective population-based study are related to short-term sui-cides within one year. For this purpose, we studied the association between (a) the severity of depressive symptoms according to the M-CIDI and the PHQ-9, BDI-II, and CID-S depression screening and (b) elevated scores on single sui-cidal ideation items and mortality according to claims databases.
In the baseline cohort, the frequency of depressive symptoms measured by CID-S was 12.90% (SHIP-START-0). The frequency for “Moderate” to “Severe de-pression” measured by the PHQ-9 (≥ 10 points) and BDI-II (≥ 20 points) ques-tionnaires ranged from 5.40% (SHIP-LEGENDE) to 8.80% (SHIP-TREND Morbid-ity follow-up). The 1-month prevalence of unipolar depression, measured by the M-CIDI in SHIP LEGENDE, was 2.31%.
Between 5.90% (SHIP-TREND Morbidity follow-up) and 6.60% (SHIP-LEGENDE) of respondents showed a certain degree of suicidal ideation in the two weeks preceding the assessment, according to BDI-II and PHQ-9.
Our results show the high frequency of depressive symptoms in the study region, with women being affected more frequently than men, especially in the higher categories. Furthermore, women were more frequently affected by suicidal idea-tion, although this difference was not evident in the highest categories.
There was one potential suicide in the year after a SHIP examination.
From our results, we cannot conclude that severe self-reported symptoms from depression questionnaires should be reported back to participants of an obser-vational population-based study to prevent suicide deaths within one year.
Hintergrund:
Kardiovaskuläre Präventionsleitlinien empfehlen unterschiedliche Instrumente zur kardiovaskulären 10-Jahres-Risikobestimmung. In der hausärztlichen Praxis wird dafür häufig das arriba-Instrument verwendet und durch die Leitlinie „Hausärztliche Risikoberatung zur kardiovaskulären Prävention“ empfohlen. Ziel der Studie ist die Validierung der arriba-Risikoprädiktion auf Basis von Morbiditäts- und Mortalitätsdaten der bevölkerungsbasierten Study of Health in Pomerania.
Methoden:
In einer retrospektiven Längsschnittanalyse wurde für Probanden ohne vorheriges kardiovaskuläres Ereignis das kardiovaskuläre 10-Jahres-Gesamtrisiko (Myokardinfarkt oder Schlaganfall) zur Basisuntersuchung mit dem arriba-, SCORE-Deutschland- und PROCAM-Algorithmus (Myokardinfarkt) berechnet. Aus Daten der Folgeuntersuchungen wurden kardiovaskuläre Ereignisraten ermittelt und Diskriminierungs- und Kalibrierungsmaße für die Risikobestimmungsinstrumente berechnet.
Ergebnisse:
In die Analyse wurden 2277 Proband:innen (Durchschnittsalter 53 ± 13 Jahre, 50% Männer) eingeschlossen. Nach durchschnittlich 10,2 Jahren betrug die kardiovaskuläre Ereignisrate 8,6% (196/2277). Das Verhältnis aus prädizierter und beobachteter Ereignisrate betrug für Proband:innen mit niedrigem, mittlerem und hohem kardiovaskulären Risiko 0,8, 1,5 und 1,3. Arriba unterschätzte bei Frauen und überschätzte in den Altersgruppen 30-44 und 45-59 Jahren die kardiovaskulären Ereignisraten.
Schlussfolgerung:
Diskriminierungswerte für das arriba-Instrument sind mit SCORE-Deutschland und PROCAM vergleichbar, eine individuelle Anpassung an die Zielpopulation ist jedoch nötig.
The maintenance of protein homeostasis in muscle by degradation systems, e.g. the autophagy lysosomal pathway (ALP) and the ubiquitin-proteasome system (UPS), is of great importance. It prevents the accumulation of nonfunctioning and not properly folded proteins, which can lead to protein aggregate myopathies (PAMs) and several other protein storage diseases. Degradation by the UPS depends on the transfer of ubiquitin to a target protein. This happens in a cascade of E1-E2-E3 proteins. This process is also involved in protein location and regulation of protein activity. E3 ligases are often tissue specific. Muscle RING-finger proteins (MuRFs) are a family of really interesting new gene (RING)-Finger E3 ubiquitin ligases, that are almost exclusively expressed in the striated muscle. They play a role in muscle wasting, but are also important for the maintenance of the structure of striated muscle. MuRF proteins are also involved in the regulation of the striated muscle energy metabolism. Previous work has demonstrated that MuRF1/MuRF3 DKO mice show a protein surplus myopathy characterized by an accumulation of myosin heavy chain proteins in striated muscles and a reduction in function of both heart and skeletal muscle. The aim of this study was to test the hypothesis that the myopathic phenotype of MuRF1/MuRF3 DKO mice is mediated by a disturbed energy homeostasis in the heart and skeletal muscle, with focus on mitochondrial function. Because sex-specific differences have not been investigated in these mice so far, a further aim was to investigate any differences between male and female mice.
To test these hypotheses, we measured the weight of the heart and the hindlimb muscles tibialis anterior and soleus to detect a possible hypertrophy in the DKO mice. Hematoxylin and eosin staining of histological cross sections of the tibialis anterior were performed to investigate protein accumulations. Muscle function was quantitated via grip strength and specific force measurements. Possible changes in protein amounts were detected via mass spectrometry analyses and western blot analyses. Changes in gene expression were investigated by qRT-PCR. Coimmunoprecipitation was used to determine direct interactions between proteins. Protein stability and ubiquitination were investigated by cycloheximide (CHX) and ubiquitination assays, respectively.
DKO mice showed an increase in heart and skeletal muscle weights. Grip strength assays revealed limb weakness of DKO mice. H&E staining of histological cross sections of the tibialis anterior muscle (TA) showed protein aggregates within myofibers. Mass spectrometry analyses of proteins isolated from TA and heart muscle revealed an increase of muscle stress markers and structural proteins in DKO mice, while proteins involved in the energy metabolism were reduced. Especially interesting here were the proteins of the mitochondrial electron transport chain (ETC), which play a major role in the energy production of the mitochondria by catalyzing the phosphorylation of ADP to ATP, the universal energy carrier in all living organisms. These changes were more pronounced in TA compared to heart. Western blot and qRT-PCR results of ETC subunits supported our proteome data. They also revealed a sex-specific difference, in which the reduction ETC subunits was more pronounced in females than males. In female
TA NDUFB8, SDHB, UQCRC2, MTCO1 and ATP5 were significantly reduced compared to controls, while only UQCRC2 and ATP5 were decreased in male TA compared to controls. A significant reduction in gene expression of Ndufb8, Sdhb, Mtco1 and Atp5 was detected in TA of female mice compared to controls, while only Ndufb8, Sdhb and Atp5 were decreased in male TA compared to controls. We observed the same pattern in Heart of male (protein: NDUFB8; mRNA: Mtco1) and female (protein: UQCRC2, MTCO1, ATP5; mRNA: Sdhb, Mtco1) DKO mice compared to their controls. The reduction in ETC subunits was paralleled by a reduction in complex I and complex III activity in the TA of DKO mice, but not in heart. However, this was only significant in the TA of female but not male mice. Mechanistical analyses using coimmunoprecipitation, cycloheximide chase and ubiquitination assays showed that MuRF1 physically interacted with the transcriptional repressor histone deacetylase 5 (HDAC5), mediated its ubiquitination as well as its UPS-dependent degradation. The absence of MuRF1 and MuRF3 in DKO mice let to an increase in the amounts of HDAC5 in TA. Because HDAC5 binds to PGC-1α, the master regulator of mitochondrial biogenesis (encoded by Ppargc1a), we investigated its gene expression in DKO muscle and found it to be reduced.
These data connect MuRF1 and MuRF3 directly to the striated muscle energy metabolism, by regulating mitochondrial function. The results provide insights into the development of PAMs and possibly other protein storage diseases, where a decrease of mitochondrial function has already been described.
Die Untersuchung widmet sich der Analyse von Darstellungen von Erde und Kosmos in ausgewählten Drucken der Inkunabelzeit zwischen 1450 und 1500. Das Forschungskorpus umfasst verschiedene Werke, darunter das „Buch der Natur“ von Konrad von Megenberg, den „Lucidarius“, den „Schatzbehalter“ von Stephan Fridolin und die „Weltchronik“ Hartmann Schedels. Im Fokus steht die Untersuchung des Verhältnisses von Text und Bild sowie der Funktionen der Holzschnitte bei der Vermittlung von Wissen über die Welt. Bei der Analyse werden Aspekte wie Layout, Bildformeln, Kolorierung und das Zusammenspiel von Text und Bild bei der Rezeption berücksichtigt. Die Werke repräsentieren unterschiedliche Textgattungen und ermöglichen Einblicke in die sich wandelnde Rezeption von Wissen über Erde und Kosmos im Übergang von der Handschrift zum Druckmedium.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Routine-TDM auf einer Intensivstation über 3 Jahre bei Patient:innen mit Sepsis während einer kontinuierlichen Meropenemtherapie durchgeführt und auf die Umsetzung und den praktischen Nutzen hin untersucht. Da Meropenem ein Antibiotikum mit zeitabhängiger Wirkung ist, war das Ziel Konzentrationen unterhalb der 4-fachen MHK und ein dadurch bedingtes mögliches Therapieversagen zu vermeiden.
Die Patient:innen erhielten zu Beginn eine Tagesdosierung von 6 g/d mit einem initialen Bolus von 0,5 g Meropenem. Die Dosierung wurde entsprechend der erhobenen Meropenemkonzentrationen durch das Routine-TDM nach Einschätzung des ärztlichen Personals angepasst. Es wurden keine Vorgaben bzgl. eines oberen Grenzwertes oder Umsetzung der Dosisanpassungen gemacht. Das TDM ergab gerade zu Beginn erhöhte Meropenemkonzentrationen, sodass Dosissteigerungen fast ausschließlich erst nach vorheriger Dosisreduktion durchgeführt werden mussten. Konzentrationen, bei denen eine Steigerung oder eine Reduktion der Dosis beschlossen wurde, wiesen eine hohe Variabilität auf. Das Anpassungsverhalten des ärztlichen Personals kann als sehr konservativ beschrieben werden. Die Dosissteigerungen wurden bereits sehr früh und Dosisreduktionen eher spät durchgeführt.
Bei knapp 46 % der Patient:innen wurde die Dosis gar nicht angepasst und bei 46 % der Patient:innen wurde insgesamt eine Dosisreduktion durchgeführt. Dies war zu 96 % eine Halbierung der Tagesdosis auf 3 g/d. Die gemessenen Wirkkonzentrationen unterschieden sich bei Patient:innen die 6 g/d und bei Patient:innen die 3 g/d Meropenem erhielten letztendlich nicht signifikant voneinander. Dies zeigt, dass die Dosisanpassungen genutzt wurden um andere Einflussfaktoren auf die Konzentration auszugleichen.
In einer multivarianten Regressionsanalyse zeigten die Nierenfunktion, die Körpergröße und das Körpergewicht einen signifikanten Einfluss auf die Antibiotikumkonzentration. Dennoch zeigte die Regressionsanalyse sich in den Extrembereichen ungenau, weshalb ein TDM sehr sinnvoll ist. Gerade bei einer veränderten Nierenfunktion oder bei Patient:innen mit RRT zeigte sich ein TDM als sehr hilfreich. Patient:innen mit ARC zeigten sich in der vorliegenden Arbeit signifikant häufiger unterdosiert und Patient:innen mit RRT wiesen eine höhere Variabilität der gemessenen Konzentrationen auf. Tools zur Anpassung der Dosierung anhand der Nierenfunktion wurden in Studien bisher überwiegend als unzureichend beschrieben. Bei Patient:innen mit RRT werden verschiedenste Dosierungsoptionen aktuell diskutiert. Insgesamt wurde bei knapp 5,8 % der Patient:innen eine Unterdosierung detektiert. Daraufhin wurde vom ärztlichen Personal inkonsequent reagiert. Einen Einfluss auf das klinische Outcome konnte durch das TDM oder durch die Unterdosierungen nicht ausgemacht werden. Lediglich die Schwere der Sepsisart zeigte einen signifikanten Einfluss auf die Mortalität.
Neurologische Auffälligkeiten, wie Krampfanfälle konnten nur selten detektiert werden. Patient:innen, bei denen diese auffielen, zeigten zwar signifikant höhere Meropenemkonzentrationen, allerdings ließen sich die Symptome nicht mit Sicherheit auf die Antibiotikatherapie zurückführen, da diese Patient:innen zusätzlich eine neurologische Grunderkrankung hatten. In gezielten Studien zu neurotoxischen Nebenwirkungen bei Betalaktamen wird der Zusammenhang mit supratherapeutischen Konzentrationen aber immer öfter beschrieben.
Zusammenfassend zeigt sich, dass das TDM einen maßgeblichen Einfluss auf die Therapieentscheidungen hatte. Unterdosierungen sind unter der gewählten Dosierungsform nur selten aufgetreten und Dosissteigerungen waren kaum nötig. Gerade bei Patient:innen mit RRT oder erhöhter Nierenfunktion zeigte sich das TDM als nützlich. Die Grenzen für Anpassungen variierten sehr stark und wurden eher konservativ gewählt. Ein genau definierter Zielbereich der angestrebten Meropenemkonzentration und festgelegte Optionen zur Dosisanpassung könnten den Nutzen des TDMs weiter erhöhen. Weitere prospektive Studien sind nötig, um eine Obergrenze zu definieren und Toxizität zu vermeiden.
Empfehlungen für die Praxis:
• Fortsetzung des TDMs bei kritisch kranken Patient:innen
• Etablierung einer SOP zur Dosisanpassung sowie Reduzierung der Startdosierung auf 3 g Meropenem/d mit Initialbolus von 0,5 g
• Hinweise bei Patientengruppen mit Gefahr für Unter- oder Überdosierungen.
In der Klinik wird eine inter- und intraindividuelle Variabilität in Wirkung und Nebenwirkung von Opioiden beobachtet [5,6]. Ursächlich hierfür könnte unter anderem eine individuelle Ausstattung mit Transportproteinen sein, welche pharmakologische Substanzen wie zum Beispiel Opioide über körpereigene Barrieren zu ihren Wirkorten transportieren. Mit dieser Arbeit sollte die Affinität der Opioide Fentanyl und Sufentanil zu ausgewählten organic anion transporting polypeptides (OATP) untersucht werden. Ein weiteres Ziel war die Generierung eines neuen OATP1A2-Transportmodells. Im Vergleich zum bisherig verwendeten Modell mit pQCXIN::OATP1A2 sollte eine Zelllinie mit definiert integriertem Transportprotein-Gen für eine reproduzierbarere OATP1A2-Überexpression generiert werden.
Eine Affinität von Fentanyl zu OATP1A2 konnte in Kompetitionsversuchen
(IC50 14,17 µM) belegt werden. Für die Kombination Fentanyl/ OATP1B1 war keine Inhibition des Transporters nachweisbar. Sufentanil inhibierte OATP1A2 geringfügig, konnte aber herstellerbedingt nicht in vergleichbaren Konzentrationen untersucht werden. Es zeigte sich kein Transport von Fentanyl durch OATP1A2.
Da Funktionskontrollen mit den vorhandenen HEK-pQCXIN::OATP-Zelllinien mit zunehmender Passagennummer fluktuierende oder abnehmende Aktivitäten zeigten, sollten stabile Zelllinien mit definierter vorzugsweise singulärer Integration des Zielgens in HEK-293-Zellen generiert werden. Mittels Flp-In™-System wurden über drei verschiedene Klonierungsstrategien Klone von T-REx™-pcDNA5/FRT::OATP1A2 hergestellt. Auf RNA- und DNA-Ebene konnte die korrekte Integration der OATP1A2-Sequenz nachgewiesen werden. In der Funktionskontrolle zeigte sich aber nur eine maximal 1,7 fache erhöhte Aktivität gegenüber Kontrollzellen. Mit keiner der drei gewählten Klonierungsstrategien konnten ausreichend funktionelle OATP1A2 überexprimierende Zellen generiert werden, trotz intakt integrierter OATP1A2-Sequenz sowie korrekter Übergänge, Startcodon und Kozak-Sequenz, bestätigt durch Sequenzierung des Genoms der T-REx™-pcDNA5/FRT::OATP1A2 (Variante 3). In stabil transfizierten Zellen ließ sich durch Immunfluoreszenz keine Expression, ordnungsgemäße Lokalisation und Überexpression von OATP1A2 darstellen. Ob dies an einer Proteinfehlfaltung oder einer zu niedrigen Proteinexpression liegt, konnte nicht zweifelsfrei bestimmt werden.
Insgesamt trägt diese Arbeit zur Beantwortung der Frage bei, inwiefern Fentanyl die Aufnahmetransporter der OATP-Familie beeinflusst und somit durch pharmakologische Hemmung die Wirkungen und Nebenwirkungen anderer Arzneimittel verändern kann. Obwohl die Generierung OATP1A2-überexprimierender T-REx™-pcDNA5/FRT::OATP mit dem Flp-In™-System im Rahmen dieser Arbeit nicht erfolgreich verlief, konnten weitere Erfahrungen zum Flp-In™-System gesammelt werden.
Ecological Impacts and Phenotypic Plasticity of a Global Invasive Cactus, Opuntia ficus-indica
(2023)
Biological invasions by non-native species pose one of the major threats to biodiversity, the way ecosystems function, and the well-being of humans. These invasions can occur through various means, including accidental or intentional introductions by humans, natural dispersal, and climate change. Non-native species can harm the native species and ecosystems, by homogenizing plant communities, competing for resources, changing how the ecosystem operates, and eventually causing native species to go extinct. Even though not all non-native species become invasive, changes in climate and ecosystems can cause the successful establishment and spread of non-native species. Despite the advancements in our understanding of biological invasions in recent years, research has been biased towards temperate regions, whereas arid and semi-arid regions that are highly impacted by climate change are underrepresented. Thus, particularly focusing on the impacts of biological invasions in subtropical arid and semi-arid regions, the goal of this PhD project was to explore the effects of an invasive cactus on the local native communities and investigate the mechanisms of its successful invasion. Certain species are found to take advantage of the ever-drying climates in the arid/ semi-arid regions of the world. Opuntia ficus-indica, native to Mexico, is an exceptionally successful drought-tolerant invasive cactus that successfully grows in these regions. O. ficus-indica, a most widespread invasive cactus, is considered an ecosystem engineer as it modifies the habitats of indigenous plant species and dependent animals. This project aimed to identify the ecological impacts of O. ficus-indica in the highlands of Eritrea, the competitive potential of O. ficus-indica and the plastic changes that enabled its spread and invasion (Chapters I-III). For this purpose, field observations and common garden experiments were carried out throughout the project.
We investigated the effects of Opuntia ficus-indica on the spatial diversity of native plant communities (Chapter I), its competitive ability against native species (Chapter II) and the phenotypic plasticity of O. ficus-indica (Chapter III). To investigate the main ecological effects of O. ficus-indica on the native community, field data was collected from the highlands of Eritrea and comparisons were made between O. ficus-indica invaded and noninvaded areas (Chapter I). The study aimed to understand the effects of O. ficus-indica by examining species composition, richness, and diversity across vegetation layers and revealed that O. ficus-indica homogenises the species composition of the native ecosystem. This provides evidence that the presence of O. ficus-indica reduces landscape-level heterogeneity or spatial diversity. However, O. ficus-indica did not influence the species richness and diversity of the local communities. The mechanisms of the successful homogenisation of the local communities by O. ficus-indica were attributed to the potential competitive abilities of O. ficus-indica against the native species, and the plastic and adaptive traits it developed in the non-native ranges. The first assumption was tested by setting up a common garden competition experiment between two native Eritrean species, Ricinus communis and Solanum marginatum (Chapter II). The experiment used two water availability treatments, wet and dry, and categorized plants into intraspecific (native or invasive only) and interspecific (native and invasive) competition. The study evaluated the impacts by comparing the growth of O. ficus-indica alone to the growth alongside native species which revealed the weak competitive potential of O. ficus-indica. However, O. ficus-indica was observed to outgrow the native species in several folds which can be attributed to its successful invasion. The second assumption of the successful spread of O. ficus-indica was attributed to the phenotypic plastic traits adapted by O. ficus-indica in the non-native ranges (Chapter III). The phenotypic plasticity of O. ficus-indica was assessed by exposing it to water stress across dry and wet environments. The species were cultivated from a diverse set of 12 populations, encompassing its native range in Mexico with three cultivars and nonnative ranges in Africa (Algeria, Eritrea, Ethiopia), the island of Madeira off the coast of Africa, and in Europe, Italy with two cultivars and in Portugal from three sites. In Mexico and Italy, we collected various cultivars to ensure a wide representation of genotypes. We found that the species originating from the native range of O. ficus-indica exhibited lower plasticity to conditions of elevated water availability. Furthermore, a trial gradient experiment on O. ficus-indica was conducted to determine the appropriate watering levels for the species and the experiment revealed not only the species' capacity to endure a lack of water for nine months but also its ability to withstand prolonged waterlogged conditions.
This thesis illustrates the fact that invasive species are a major threat to biodiversity and ecosystem functioning worldwide, especially in rarely studied regions with dry climates and limited resources. How can invasive plants spread and cause negative impacts on native ecosystems (Chapter I), despite their weak competitive abilities (Chapter II)? This thesis explored these questions by examining the case of O. ficus-indica, an invasive species in arid/ semi-arid climates (Chapter I). It showed that O. ficus-indica has a high growth potential that allows it to overcome resource limitations, that its growth is not affected by competition from native species (Chapter II), and that it exhibits adaptive plasticity that enhances its invasion success in different environments (Chapter III). This thesis revealed the complex mechanisms and consequences of biological invasions in dry climates and contributes to the understanding of invasive species. It also suggests that more research is needed in understudied regions to assess the impacts of O. ficus-indica or invasive species in general on native biodiversity and ecosystem services and to identify the factors that influence the competitive and adaptive potentials.
Bei einem Herz-Kreislauf-Stillstand können Leitstellendisponenten mit Hilfe eines Telefonreanimationsprotokolls medizinische Laien in Wiederbelebungsmaßnahmen anleiten. Durch die Anwendung von Automatisierten Externen Defibrillatoren (AED) durch hinzukommende qualifizierte Ersthelfer (Community-First-Responder) kann die Überlebenswahrscheinlichkeit weiter gesteigert werden. Im Rahmen des Pilotprojektes MVLIFEDRONE wurde die Umsetzung eines Telefonreanimationsprotokolls, sowie die Reanimationsqualität und AED-Anwendung von Laienhelfenden und Community-First-Respondern in 48 Simulationsszenarien untersucht. Die Datenanalyse basierte auf Videoaufzeichnungen der Simulationen und Daten des Reanimationssimulators.
Die Forschungshypothese, dass bei dem aktuell in der Untersuchungsregion angewendeten Telefonreanimationsprotokolls Teilschritte in der Umsetzung durch die Laienhelfende nicht korrekt erfolgen, konnte nachgewiesen werden. Nur 64% der Laienhelfenden führten eine suffiziente Atemkontrolle durch. Bei Verwendung einer konkretisierten Atemkontrollanweisung mit Handlungsbeschreibung führten signifikant mehr Laienhelfende (92%) eine leitlinienkonforme Atemkontrolle durch, p <0,05. Verglichen zu Laienhelfenden (99 bpm), führten Community-First-Responder die Reanimation mit einer leitlinienkonformen Frequenz (109 bpm) und korrekter Handposition durch, wobei das Erreichen der Kompressionstiefe für beide Gruppen keine Herausforderung darstellte. Lautes Mitzählen der Laienhelfenden kann die Frequenz der Thoraxkompressionen verbessern. Eine Aufforderung zur Nutzung dieser Methode im Protokoll wird empfohlen. Andere Aufforderungen, wie Bewusstseinskontrolle, Entkleidung oder die Aktivierung der Freisprechfunktion, wurden von fast 100% der Laienhelfenden suffizient umgesetzt. Damit zeigen sich diese Formulierungen als verständlich und gut umsetzbar. Die vollständige Entlastung des Thoraxes wurde von beiden Helfergruppen unzureichend durchgeführt und sollte in der Ausbildung der Community-First-Responder explizit behandelt werden. In der AED-Anwendung fand sich kein signifikanter qualitativer Unterschied zwischen den Helfergruppen, wenngleich die Community-First-Responder im Mittel 20 Sekunden schneller waren. Die Hypothese der höheren Reanimationsqualität und schnelleren AED-Anwendung der Community-First-Respondern konnte bestätigt werden. Abschließend lässt sich feststellen, dass jedes Telefonreanimationsprotokoll auf seine Umsetzbarkeit und Qualität evaluiert werden sollte.
Begrenzte Knorpelschäden sind ein häufiger Befund im Rahmen von Arthroskopien des Kniegelenkes. Neben Gelenkschmerzen und Funktionsverlust sind diese mit erhöhter Inzidenz einer Gonarthrose vergesellschaftet. Es stehen eine Reihe von Therapieansätzen für Knorpelschäden des Kniegelenkes zur Verfügung. Neben oraler Medikation mit Chondroitin oder Vitamin D, sind dies Analgetika und intraartikuläre Injektionen mit Hyaluronsäure oder platelet-rich Plasma (PRP). Weiterhin stehen verschiedene operative Verfahren zur chirurgischen Therapie von begrenzten Knorpelschäden des Kniegelenkes zur Verfügung. Die Indikationsstellung und Wahl des Verfahrens wird vor dem Hintergrund der aktuellen Evidenz regelmäßig in Handlungsempfehlungen der Fachgesellschaften zusammengefasst. Zunächst wurde die Indikation zu knorpelregenerativen Verfahren auf begrenzte traumatische Knorpeldefekte bei jungen Patienten eingeschränkt, in den vergangenen Jahren zeigt sich jedoch ein Trend zur Ausweitung der Indikation. Die Handlungsempfehlungen zur Wahl des geeigneten Therapieverfahrens orientieren sich an der Größe des Defektes. Für kleinere Defekte sind in erster Linie knochenmarkstimulierende Verfahren wie Mikro- oder Nanofrakturierungen vorgesehen, die um den Einsatz einer Kollagenmembran zur temporären Fixierung der eingewanderten Zellen aus dem Knochenmark erweitert werden können. Für größere Knorpeldefekte wird die autologe Chondrozytentransplantation (ACT) empfohlen. Die ACT ist das am besten wissenschaftlich untersuchte Verfahren. Weitere chirurgische, knorpelregenerative Therapiemethoden sind das Débridement, die Thermochondroplastik (TCP) und die osteochondrale Transplantation (OCT). Im Deutschen KnorpelRegister werden seit dem Jahr 2013 chirurgische Knorpeltherapieverfahren gemonitort. Die vorliegende Arbeit ist eine Auswertung zur Indikationsstellung und Auswahl des geeigneten Therapieverfahrens in Abhängigkeit von patientenspezifischen und verletzungsspezifischen Faktoren.
Bezüglich der Indikationsstellung zeigte sich, dass das Durchschnittsalter behandelter Patienten bei 37 Jahren lag und ein Viertel der behandelten Patienten älter als 47 Jahre war. Bei 60 % der behandelten Patienten wurde Übergewicht festgestellt, bei einem Drittel der Übergewichtigen lag ein starkes Übergewicht mit einem BMI über 30 kg/m² vor. Der Großteil der behandelten Knorpelschäden war degenerativer Genese (54,7 %), im Vergleich dazu lagen seltener traumatische Knorpelschäden (21,4 %) vor. Während in 59,0 % der Behandlungen der korrespondierende Knorpel intakt war, wurde in 31,9 % der Fälle eine Schädigung Grad I oder II nach ICRS und in 6,6 % der Fälle eine höhergradige Knorpelschädigung toleriert. Intakte Menisken lagen in 53,8 % der Fälle vor, in 17,9 % der Fälle lag eine Teilresektion von weniger als einem Drittel und in 7,6 % von mehr als einem Drittel der Meniskussubstanz vor.
Die Auswertung bezüglich der Wahl des geeigneten Therapieverfahrens ergab, dass das am häufigsten registrierte Verfahren im Deutschen KnorpelRegister die ACT war (52,4 %). Weitere registrierte Verfahren waren BMS (18,4 %), ACT mit Spongiosaplastik (10,0 %), Matrix-BMS (8,3 %), Débridement (4,7 %), TCP (4,2 %) und OCT (2,0 %). Bezüglich der Wahl des geeigneten Verfahrens zeigte sich, dass prinzipiell die ACT bei größeren- (Mittelwert ± Standardabweichung: 4,4 ± 2,3 cm²) und die BMS-Verfahren bei kleineren (2,1 ± 2,0 cm²) Knorpeldefekten eingesetzt wurden, jedoch gab es eine große Varianz. Innerhalb des Mittelwertes ± der zweifachen Standardabweichung für BMS-Verfahren lagen Defekte von 0,25 bis 7,5 cm², gleichzeitig wurde bei 21,2 % der Defekte mit einer Größe von weniger als 2,0 cm² entgegen der Handlungsempfehlung eine ACT durchgeführt. Unabhängige Variablen, die zum Einsatz einer ACT bei kleinen Knorpeldefekten führten, waren Voroperationen und Defekte an Patella oder Trochlea. Unabhängige Faktoren, die bei kleinen Defekten den Einsatz eines BMS-Verfahrens begünstigten, waren höheres Patientenalter, korrespondierende Knorpelschäden und bestimmte Begleitoperationen wie Bandplastiken, Meniskustherapien und Osteotomien. Für ältere Patienten fiel eine veränderte Verteilung der häufig angewendeten Therapieverfahren auf. Während die ACT bei Patienten über 47 Jahren deutlich seltener eingesetzt wurde, wurden BMS-Verfahren, Débridement und TCP vor allem in dieser Altersgruppe eingesetzt.
Im Unterschied zu den ersten Handlungsempfehlungen zum Einsatz von chirurgischen, knorpelregenerativen Eingriffen zeigte diese aktuelle Analyse, dass die Indikation auf degenerative Defekte ausgeweitet wurde. Übergewicht stellt ebenso wie höheres Alter keine Kontraindikation für einen knorpelregenerativen Eingriff dar. Während leichtgradige korrespondierende Knorpelschäden und partieller Meniskusverlust toleriert werden, stellen auch Kissing-Lesions und subtotaler Meniskusverlust keine strikte Kontraindikation für eine operative Therapie des Knorpels dar. Es fällt jedoch auf, dass fortschreitende degenerative Veränderungen des Gelenkes den Einsatz von BMS-Verfahren wahrscheinlicher, und den Einsatz einer ACT weniger wahrscheinlich machen. Ebenso werden ältere Patienten häufiger mit, gemäß der aktuellen Literatur, im Vergleich weniger potenten, aber günstigeren Methoden wie BMS, Débridement oder TCP behandelt als jüngere Patienten, welche verhältnismäßig häufiger eine ACT erhalten. Bezüglich der Wahl des geeigneten Therapieverfahrens für einen Knorpeldefekt ist die Indikationsgrenze für eine ACT zuletzt auf 2 cm² reduziert worden. Durch die vorliegende Analyse der Daten aus dem Deutschen KnorpelRegister konnte gezeigt werden, dass die ACT regelmäßig auch bei Defekten unter 2,0 cm² angewendet wurde. Es entsteht der Eindruck, dass BMS-Verfahren häufig im Rahmen von bereits geschädigten Gelenken und bei älteren Patienten eingesetzt wurden, und eine ACT bei diesen Patienten zurückhaltend eingesetzt wurde. In Zukunft muss geprüft werden, ob die Zurückhaltung bei der Indikation zur ACT bei älteren Patienten und degenerativen Veränderungen gerechtfertigt ist, ob die Matrix-BMS auch im klinischen Alltag eine Alternative zur ACT bei mittelgroßen Knorpelschäden wird, ob das Tolerieren von Übergewicht bei der Indikationsstellung gerechtfertigt ist, ob weitere Kriterien neben der Defektgröße die Wahl des Therapieverfahrens beeinflussen sollten und welche Rolle die zuletzt vermehrt eingesetzte Minced-Cartilage Implantation in Zukunft spielen wird.
During infections, innate immune cells are crucial for initiating a pro-inflammatory immune response and clearing the invading pathogen. Delay in pathogen clearance or initiation of an immune response due to impaired functionality of immune cells can result in devastating consequences. The cellular compartment of the innate immune system comprises an array of specialized cell types: Macrophages are tissue-resident professional phagocytes that clear cellular debris, pathogens, and foreign objects. Dendritic cells (DCs) are immune sentinels specialized in antigen uptake and subsequent T cell priming. They are primary sources of cytokines in response to infection. Neutrophils are efficient effector cells that respond rapidly to infection and clear bacteria by different mechanisms. If effector mechanisms of these cells are affected by either bacterial or other factors, infections might not be resolved and can spread throughout the host. Cobalt-chromium-molybdenum biomaterial is widely used in arthroplasty. Implant-derived wear particles and ions lead to macrophage-driven adverse local tissue reactions: Such reactions have been linked to an increased risk of periprosthetic joint infection after revision arthroplasty. While metal-induced cytotoxicity is well characterized in human macrophages, direct effects on their functionality remain elusive. In Paper I, we show that local peri-implant tissue is exposed to Co and Cr in situ. Influx of macrophages is also evident. Exposure of isolated human monocytes/macrophages to Cr3+ in vitro had only minor effects. However, exposure of monocytes/macrophages to pathologic concentrations of Co2+ significantly impaired both phenotype and functionality. High concentrations of Co2+ induced loss of surface markers, including CD14 and CD16. Both Co2+ and Cr3+ impaired macrophage responses to Staphylococcus aureus infection. Co2+ -exposed macrophages, in particular, showed decreased phagocytic activity. These findings demonstrate the immunosuppressive effects of locally elevated metal ions on the innate immune response. Streptococcus pyogenes (group A streptococcus, GAS) causes a variety of diseases ranging from mild to severe necrotizing soft tissue infections (NSTIs). In the host environment hypervirulent GAS variants carrying mutations within the genes encoding for control of virulence (Cov)R/S two component system are enriched. This adaptation is associated with loss of SpeB secretion. In Paper II, we show that in vitro infections with hyper-virulent GAS variants harboring dysfunctional CovR/S suppress secretion of IL-8 and IL-18 by human monocytic cells. This phenotype was mediated by a caspase-8 dependent mechanism. Knockout of streptococcal SLO in a GAS strain carrying functional CovR/S even increased secretion of IL1β and IL-18 by moDCs. Of 67 fully sequenced GAS NSTI isolates, 28 contained covS or covR mutations that rendered the TCS dysfunctional. However, no differences in systemic IL-8 and IL-18 were detected in these patients. GAS isolates recovered from patients often display a mixed phenotype, consisting of SpeB positive (SpeB+ ) and SpeB negative (SpeB- ) clones. Irreversible loss of SpeB expression is often caused by loss of function mutations in regulatory components (CovR/S, RopB). Loss of SpeB is often associated with hyper-virulence. In Paper III, we show that the host environment induces transiently abrogated secretion of SpeB by GAS. Tissue inflammation, neutrophil influx, and degranulation correlated with increased frequencies of SpeB- GAS clones. Isolates recovered from tissue expressed but did not secrete SpeB, which was reversible. Neutrophilderived ROS were identified as the main factor responsible for abrogated SpeB secretion. Hyper-virulent SpeB- clones also exhibit better survival within and induce excessive degranulation of neutrophils.