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Currently, plastic materials are an integral part of our lives, but their production mostly bases on fossil fuels or derivatives, which resources are decreasing. Extraction and processing of non-renewable resources have also negative impact on environment. One of the most promising and environmentally friendly approaches is use of microorganism. This PhD dissertation presents the non-conventional yeast Arxula adeninivorans as a host for production of bio-based and biodegradable poly(hydroxyalkanoates) plastics poly(hydroxybutyrate) and co-polymer poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate). Additionally, the constructed yeast strain was able to secrete enantiomerically pure (R)-3-hydroxybutyric acid.
The production of PHAs requires three enzymes: β-ketothiolase, acetoacetyl-CoA reductase and PHA synthase. The strategy followed in this project was divided into two parts. While all three enzymes are responsible for intracellular production of PHA polymer, first two only lead to secretion of (R)-3-HB into culture media, which was used in a first stage of work to establish and optimize polymer production. Both, different bacterial strains and yeast A. adeninivorans were taken into account in screening of the genes encoding aforementioned enzymes. Bacterial genes were chemically synthesized using codon optimization pattern and endogenous genes were obtained using PCR and genomic DNA template from A. adeninivorans LS3 wild-type strain. Each gene was cloned into Xplor2 vector between TEF1 constitutive promoter and PHO5 terminator. Vector containing both thiolase and reductase genes was used for A. adeninivorans transformation.
The best combination of heterologous genes was overexpression of β-ketothiolase gene from Clostridium acetobutylicum and acetoacetyl-CoA reductase gene from Cupriavidus necator which led to secretion of 4.84 g L−1 (R)-3-HB, at a rate of 0.023 g L−1 h−1 over 214 h in shaking flask cultivation. Further optimization by fed-batch culturing with glucose as a carbon source did not improve (R)-3-HB secretion, but the rate of production was doubled to 0.043 g L−1 h−1 [3.78 g L−1 of (R)-3-HB at 89 h].
The product of acetoacetyl-CoA reductase is (R)-3-HB-CoA and further removing of CoA moiety is needed for acid secretion into culture media. A. adeninivorans is able to conduct this process without any additional modification but the conversion rate is unknown. Two thioesterases, cytosolic TesBp encoded by TesB gene from E. coli and mitochondrial ATes1p encoded by ATES1 gene from A. adeninivorans, were analysed to enhance secretion process. Additionally, a cytosolic version of ATES1 gene (ATES1cyt) was tested. All three genes were expressed in A. adeninivorans cells under TEF1 constitutive promoter together with thiolase and reductase genes. Despite detected enzymatic activity the yield of (R)-3-HB synthesis and secretion was not increased. Moreover, overexpressed thioesterases negatively influenced cell growth, indicating that they act on other metabolic components. The results provided two sets of information, first, the endogenous secretion system is sufficient for (R)-3-HB production; second, further screening of suitable genes needs to be performed.
Based on optimization of (R)-3-HB synthesis, thiolase gene (thl) from C. acetobutylicum and reductase gene (phaB) from C. necator were chosen to combine with PHA synthase gene (phaC) for creating the PHB-V producing strain. The PHA synthase expression module, containing TEF1 promoter and PHO5 terminator, was cloned into Xplor2 vector together with thiolase and reductase expression modules and used for A. adeninivorans transformation. The engineered strain accumulated up to 7.47% PHB of dcw. During the set of cells passaging A. adeninivorans lost the ability to accumulate polymer with maximal 23.1 % of primary accumulation level. Additionally, use of a vector including hygromycin B antibiotic resistance marker (instead of auxotrophic marker in Xplor2) did not improve polymer accumulation and stability.
To counteract the effect of loss of accumulation stability, phasin gene (phaP1), originated from C. necator, was introduce together with PHA pathway genes. First screening cultivations resulted in stabilizing of polymer production reaching 9.58 % PHB of dcw and only 12.0 % loss of production ability. Further experiments increased PHB content with 19.9% PHB of dcw (3.85 g L-1) after 180 h of cultivation using rich medium. Use of another thiolase gene, the second thiolase from C. necator (bktB), which theoretically should induce production of PHBV copolymer, led to accumulation only 11.4% PHB of dcw after 139 h and no PHV fraction was detected.
Variation of the ratio between flask volume and amount of media influences the level of aeration. Importantly, decrease of aeration level significantly increased polymer synthesis. Additionally, PHB-V copolymer accumulation has been induced by use of different carbon source co-substrates. Use of rich media supplemented with ethanol allow the strain with thl thiolase to accumulate up to 42.9 % PHB of dcw without PHV fraction and with bktB thiolase to 30.5 % PHB of dcw. Nevertheless, despite of lower total amount of polymer, supplementation with 1-propanol allow both strains to accumulate PHB-V copolymer with 7.30 %mol and 22.5 %mol of PHV for thl and bktB strains, respectively.
Optimization based on genetic engineering further enhanced polymer production yield led to exceeding of 50 % PHB-V of dcw. For doubling the gene dosage, PHA synthesizing strains of A. adeninivorans were again transformed with Xplor2 vector containing PHA pathway genes. Resulting strains exhibited twice the level of enzymatic activities of thiolase and reductase compared with strains transformed once with expression vector. In a shaking flask experiment the strain transformed twice with vector containing bktB thiolase reached after 240 h 52.1% PHB-V of dcw (10.8 g L-1) with 12.3 %mol of PHV fraction which is the highest level found in yeast. As another genetic approach, a fusion strain has been created. Two different strains have been established and merged using protoplast fusion technique. Doubling of genetic material resulted in similar level of copolymer produced by Arxula as in former experiments (50.2% of dcw, 10.7 g L-1).
Culture conditions were optimized in controllable cultivation using fed-batch mode. Although optimal oxygen and pH level and continuous carbon source and nitrogen feeding were maintained, final polymer level in % of dry mass was around three times lower than for shaking flask experiment. Nevertheless, efficient growth of Arxula in fed-batch mode led to increase of total copolymer level in g L-1 (16.5 g L-1 compare to 10.8 g L-1 for shaking flasks) showing the feasibility of using Arxula strain for up-scaling production of copolymer.
Acetyl-CoA is a main precursor in synthesis of PHB-V copolymer and change of its pool was investigated. ATP citrate lyase is a cytosolic enzyme converting citrate into oxaloacetate and acetyl-CoA, supporting the biosynthesis of fatty acids. Two genes encoding Acl subunits from Aspergillus nidulans (AnAcl1 and AnAcl2) were again cloned into Xplor2 vector and transformed into A. adeninivorans PHA producing strain. Despite of higher enzymatic activity of AnAclp, accumulation of polymer was around three times higher for control without expression of lyase genes. Expectedly, the strain expressing AnAcl1/2 genes accumulated larger amount of each stearic, palmitic and oleic acid in both standard and fatty acid inducing conditions (lower nitrogen level). Thus, overexpression of AnAcl1/2 genes in A. adeninevorans cells may improve biosynthesis of fatty acids but is ineffective for PHB polymer accumulation.
The aim of the project was use of starch-based media, manufactured as by-products, for polymer production. Genetically engineered Arxula strains were cultivated using these media instead of glucose-based media. Although yeast cells were both able to secrete (R)-3-HB and to accumulate PHB, the yield was lower than for previous media. Additionally, only trace of PHV was found at the end of cultivation time when 1-propanol was supplemented. Obtained results showed that use of cheaper media is a promising approach to decrease production costs but further optimization needs to be performed especially for extended scale of production.
Determination of produced copolymer has been done based on microscopic analysis and studies of physical and chemical properties. Results revealed that Arxula accumulated PHA polymer in cytosolic granules with a similar size range compared to the ones produced by bacteria. The physicochemical study showed that produced polymer exhibited slightly different properties in comparison to bacterial polymer with similar content of PHV, i.e. very-low molecular mass, higher melting and glass transition temperature.
All above results showed that A. adeninivorans is a promising host for PHB-V production. Expression of phasin greatly increased production and stability of polymer, which led to an accumulation level never found before in yeast. Further optimization in higher production scale using cheap starch-based media may establish Arxula strain as a valuable tool for industrial production of PHB-V copolymer.
Postoperative Therapien, rezidivfreies Intervall und Gesamtüberleben von uterinen Adenosarkomen
(2018)
Uterine Adenosarkome (AS) sind eine sehr seltene Variante der uterinen Sarkome. Sie bestehen aus einer benignen, epithelialen und einer malignen, mesenchymalen Komponente. Ein wichtiges histopathologisches Merkmal ist das sarcomatous overgrowth (SO), welches bei den für gewöhnlich low-grade Tumoren mit einer aggressiveren Verlaufsform assoziiert ist. Aktuell existieren für Deutschland praktisch keine Daten zu wirksamen Therapieregimen und zum Langzeitüberleben.
In diese Studie konnten 53 AS, eine für diese Entität hohe Fallzahl, aus der Bundesrepublik Deutschland eingebunden werden. Die Datenerhebung erfolgte gemischt retro- und prospektiv über neun Jahre. Mittels der Kaplan-Meier-Methode und des multivariaten Cox-Regression-Modells wurden mögliche Prognosefaktoren für das rezidivfreie Intervall (RFI) und das Gesamtüberleben (OS) identifiziert. Zum Vergleich der einzelnen Überlebenskurven wurde der log-Rank-Test verwendet. Das Signifikanzniveau aller Tests lag bei p=0,005.
Von den 53 beobachteten AS konnten 33 (62,3%) als AS ohne SO und 20 (37,7%) als AS mit SO (AS-SO) diagnostiziert werden. Unser medianes Follow-up beträgt 19 Monate (Spanne 1-144 Monate). Insgesamt verstarben elf Frauen (20,8%), wobei in neun Fällen das AS todesursächlich war. Es wurde ein medianes OS von 68 Monaten bzw. ein tumorspezifisches Überleben von 34 Monaten ermittelt. Das SO ist sowohl hinsichtlich des OS (p=0,195) als auch des tumorspezifischen Gesamtüberlebens (p=0,083) mit einer schlechteren Prognose assoziiert. Während das 1- und 2- Jahresüberleben beider Gruppen sehr ähnlich liegt, ist das Langzeitüberleben nach fünf Jahren für AS-SO drastisch reduziert, sodass insbesondere hier eine lange Nachbeobachtungszeit erforderlich ist.
Insgesamt entwickelten 15 Frauen (28,3%) nach median 79 Monaten (95%-KI) ein Rezidiv, welches einer Rezidivrate von 27,3% (n=9) für AS ohne SO und 30% (n=6) für AS-SO entspricht. Zudem kann näherungsweise ein negativer Einfluss für das Vorliegen eines SO auf das RFI registriert werden (p=0,098).
Eine R1/2-Resektion und eine G3-Klassifizierung sind mit einem signifikant schlechteren Outcome (RFI und OS) verbunden. Zudem zeigen AS mit einem Ki67-Proliferationsindex ≥ 30 einen Trend früher Rezidive zu entwickeln (p=0,164). Prognostisch vorteilhaft, mit längerem RFI und OS, ist das Fehlen eines Lymphknotenbefalls zu werten. Jedoch führt eine systematische Lymphonodektomie nicht zu einem Überlebensvorteil. Im Gegenteil: Die Lymphonodektomie führt sogar zu einem 5,6-fach höheren Sterberisiko als ein Unterlassen der selbigen. Eine BSO erbringt ebenfalls keinen Überlebensvorteil.
Zusammenfassend ist die Therapie der Wahl die totale Hysterektomie. Eine R0-Resektion ist bei ausgedehnten AS anzustreben. Eine Lymphonodektomie bzw. bilaterale Salpingoophorektomie hingegen erbringen keinen prognostischen Vorteil. Grundsätzlich führt die generelle Anwendung einer postoperativen Therapie zu keiner Verbesserung des RFI und OS. Bei ausgeprägtem postoperativen Therapiewunsch oder fortgeschrittenen Stadien kann am ehesten eine Radiotherapie zur Reduktion von Lokalrezidiven angewendet werden.
Sieben (n=7/15; 46,6%) Frauen mit einem Rezidiv verstarben (medianes Überleben 64 Monate), wobei auch hier das prognostisch schlechtere AS-SO mit einem kürzeren Überleben einhergeht. Prozentual wurden mehr Fernmetastasen (60,9%) gegenüber Lokalrezidiven (39,1%) registriert, wobei am häufigsten eine Fernmetastasierung in die Lunge stattfand. Die Rezidivlokalisation zeigt keinen Einfluss auf das Outcome der Frauen. Analog zur Primärtherapie ist das maximale Tumordebulking mit einer Resektion aller Tumorherde die beste Rezidivtherapie. Multimodale Therapiekonzepte, die ein maximales Tumordebulking beinhalten, erzielen ähnlich gute Ergebnisse. Chemotherapeutika waren nur in Einzelfällen wirksam und haben insgesamt den gleichen Effekt wie eine reine Beobachtung. Häufig musste eine Chemotherapie aufgrund der Toxizität und starken Nebenwirkungen, bei meist unter Therapie progredienter Krankheit, abgebrochen werden. Die längste partielle Remission konnte mit einer Kombination aus Carboplatin und Paclitaxel bei einer Patientin mit AS ohne SO für 13 Monate erreicht werden.
Zukünftig werden noch größere Studien benötigt um konsequente Therapiestrategien, insbesondere postoperative Therapien nach inadäquat erfolgter Operation, zur Verbesserung des OS und des RFI abzuleiten oder zu entwickeln. Um auch verlässlichere Aussagen bezüglich des Rezidivverhaltens und –therapie machen zu können, muss ein langes Follow-up möglichst vieler Frauen gewährleistet werden. Insbesondere sollte auch ein stadienabhängige Betrachtung der einzelnen Therapieverfahren erfolgen, um einen besseren Vergleich zu ermöglichen.
Zusammenfassung
Die Wundheilung stellt einen komplexen und sensiblen Prozess dar, wobei neben Keratinozyten auch besonders Immunzellen eine wesentliche Rolle spielen. Besonders in der Medizin ist die Behandlung von Wunden eine zentrale Aufgabe und erfordert immer mehr Techniken, um diesen Prozess effizienter ablaufen zu lassen. Seit einigen Jahren steht die Behandlung von Wunden mittels Niedertemperatur Plasma immer mehr im Fokus der Wissenschaft. Dabei besteht Plasma aus zahlreichen Komponenten, wobei jede Komponente die Zelle unterschiedlich beeinflussen kann. Da auch jede Wunde einzigartig im Hinblick auf Beschaffenheit und Erregerspektrum ist, sollte dies auch mit einer individuellen Abstimmung der Plasamkomponenten einhergehen um so die Wundheilung noch effizienter zu gestallten. Ziel dieser Arbeit ist die Modifizierung der Plasma-Komponenten durch einen Gasmantel, um herauszufinden, welche Modifizierung am effektivsten auf Immunzellen und somit auch auf die Wundheilung wirkt.Dafür wurde in der vorliegenden Arbeit die Auswirkungen von fünf Gaszumischungen im Mantelgas eines argonbetriebenen kalten Atmosphärendruckplasmajets (kINPen 11) auf die Generierung von reaktiven Spezies in Flüssigkeiten und auf Monozyten in vitro untersucht. Der kINPen (ein Gerät der Firma neoplas,zur Erzeugung von Niedertemperatur-Plasma) war dabei auf 5slm(Standardliter pro Minute Argon) und Burstmodus eingestellt. Die Gaszusammensetzung variiert von 100% Stickstoff (N2) und 0% Sauerstoff (O2) in 25íger Schritten zu 100% O2 und 0% N2. Dabei entstehen abhängig von der O2- und N2-Zufuhr im Gasmantel unterschiedliche reaktive Spezies. Als repräsentativ für die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) wird Wasserstoffperoxid (H2O2) und für reaktiven Stickstoffspezies (RNS) werden Nitrit (NO2–) und Nitrat (NO3–) erfasst. Die Experimente wurden nach Flüssigkeitsanalytik und zellphysiologischen Aspekten gegliedert. Es wurde die THP-1-Monozytenzelllinie verwendet. Zu den Methoden der Flüssigkeitsanalytik gehören die Bestimmung des pH-Werts, die Detektion der NO2–-, NO3–- und H2O2-Konzentration. Zellphysiologisch wurde die Zellviabillität,die Apoptoserate,der Wachstumsfaktor HB-EGF,sowie die Zytokinsekretion detektiert. Zudem wurde die direkte und indirekte Plasma-Behandlung verglichen.Bei derdirekten Plasma-Behandlung stehen die Zellen mit dem Plasmaeffluenten im direkten, kontinuierlich Kontakt, wohingegen bei der indirekten Behandlung nur das Zellkulturmedium behandelt wird und anschließend auf die Zellen gelangt. Die Zellen haben keinen Kontakt mit dem Plasmaeffluenten. Zu der Flüssigkeitsanalytik gehört die gezielte Messung der durch das Plasma entstehenden ROS und RNS in phosphatgepufferte Salzlösung (PBS) und Zellkulturmedium (RPMI-Medium, Roswell Park Memorial Institute). Es konnten keine pH-Wert-Veränderungen durch die Plasma-Behandlung gemessen werden, aber mit Zunahme der Behandlungszeit stieg die Menge an reaktiven Spezies. Der Gasmantel hat besonders Auswirkungen auf den Gehalt der Flüssigkeiten an reaktiven Spezies. Die niedrigsten Nitrat-Anion (NO3–)- und Nitrit-Anion (NO2–)-Konzentrationen ergaben sich bei der 100% und 0%N2-Mantelgaszumischung. Die75%N2-Mantelgaszumischung zeigte die höchste NO3–-Konzentration in PBS. Die H2O2-Konzentration nahm mit dem Anteil an O2 im Mantelgas zu und erreicht ihr Maximum bei Mantelgaszumischung gezeigt werden. Alle anderen Mantelgaszumischungen zeigten zwar bei der Flüssigkeitsanalytik deutliche Unterschiede, doch durch die Anwesenheit von THP-1-Zellen wurde der Einfluss deutlich geringer. Die Gaszumischungen hatten trotz unterschiedlicher Bildung von reaktiven Stickstoff- und Sauerstoffspezies keinen großen Effekt auf die Zelltoxizität. Die 50%-N2-Mantelgaszumischung bewirkte die höchsten Konzentrationen an reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS), was mit einer erhöhten frühen und späten Apoptose einherging und mit niedrigen IL-8-Werten. Die 100% N2-Mantelgaszumischung zeigte die größten Effekte auf die Zytokinsekretion. Die IL-6-Konzentration sank sowohl bei den direkt als auch indirekt mit Plasma behandelten und mit Lipopolysaccharid (LPS)-stimulierten Proben. Gleichzeitig wurde für die unstimulierte, indirekte Plasma-Behandlung ein deutlicher Anstieg der IL-8-Konzentration gemessen. Neben den erwähnten Ergebnissen konnten weitere zelluläre Effekte unabhängig von den Mantelgaszumischungen gemessen werden. Zum Einen zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen der direkten und indirekten Plasma-Behandlung. Die indirekte Plasma-Behandlung,d.h.diePlasma-Behandlung von Zellkulturmedium und die anschließende Inkubation der Zellen, zeigte eine starke Erhöhung der IL-8-Konzentration, die mit der N2-Konzentration im Mantelgas anstieg. Auch für die IL-6- und IL-8-Konzentrationen nach LPS-Stimulation zeigten sich Unterschiede zwischen der direkten und indirekten Behandlung. Die indirekte Plasma-Behandlung zeigte eine stark reduzierte Zellviabilität gegenüber der direkten Plasma-Behandlung (1 min), die eher aktivierend wirkte. Zum Zweiten zeigte sich nach der Plasma-Behandlung, dass die Zellen im Durchflusszytometer eine Erhöhung des Volumens und der Granularität nach langen Behandlungszeiten aufwiesen und scheinbar erhöhte Zellviabilität. Eine Detektion des Wachstumsfaktors HB-EGF mit Hilfe der FACS-Analyse konnte nicht gezeigt werden. Drittens, konnte durch Zugabe von Katalase ein Anstieg der NO2–-Konzentration im RPMI im Vergleich zur Behandlung ohne Katalase gezeigt werden. Somit spiegelt die Flüssigkeitsanalytik nicht die Stituation in Gegenwart von Zellen in vitro wieder. Erstmalig konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Modifizierung der Umgebungsgase bei der Plasma-Behandlung einen Einfluss auf die Bildung von ROS, RNS und Zytokinen hat. Besonders die 50% N2-Mantelgaszumischung hat mit der Reduktion der IL-8-Konzentration und damit der Reduktion eines für die Angionese relevanten Faktors möglicherweise einen negativen Effekt auf die Wundheilung. Im Gegensatz dazu bewirkt die 100% N2-Mantelgaszumischung durch Abnahme von IL-6 eine Verringerung der Entzündungsmediatoren und durch die Erhöhung von IL-8 eine Zunahme eines für die Angiogenese in Wunden wichtigen Parameters. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass der Einfluss durch die Behandlungszeit und der direkten und indirekten Behandlung einen weitaus größeren Effekt auf Monozyten haben könnte als bisher angenommen. Somit leistet diese Arbeit einen zusätzlichen Beitrag für das weitere Verständnis bei der Aufklärung der zellulären Effekte durch die Plasma-Behandlung. Es kamen aber auch neue Fragen auf, die noch nicht hinreichend geklärt wurden: Erstens, welcher Mechanismus steht hinter der Zunahme der Granularität und des Volumens nach langen Plasma-Behandlungen. Zweitens, in wie weit sind die ohne Katalase-Behandlung gemessenen NO2–-Konzentrationen aussagekräftig. Drittens, haben die indirekte und direkte Plasma-Behandlung den gleichen Effekt in vivo wie in vitro. Um diese Fragen weiter zu klären ist weitere Forschung nötig.
This dissertation focusses on the numerical modelling of resonant destabilization of Alfvén eigenmodes by fast ions in fusion plasmas. It especially addresses non-linear simulations of stellarator plasmas in which particle collisions are retained. It is shown that collisions are required for a realistic description of Alfvén waves in plasmas relevant to nuclear fusion.
We start by carefully verifying the implementation of the collision operators into the electromagnetic version of the gyro-kinetic delta-f particle-in-cell code EUTERPE. After these initial benchmarks are completed successfully, the code is in a position to be applied to realistic tokamak and stellarator scenarios.
Since every collision operator needs to fulfil conservation laws, a momentum-conserving version of the pitch-angle scattering operator is implemented. This is in particular important for neoclassical transport simulations aimed at computing flux-surface variations of the electrostatic potential in stellarators.
Using the simplified CKA-EUTERPE model (employing a fixed-mode-structure approximation), we perform non-linear simulations in tokamaks and stellarators. We show that the non-linear dynamics of fast-ion-driven Alfvén eigenmodes is significantly influenced by collisions. They have the potential to enhance the saturation level and to affect the frequency chirping of the modes.
It is thus concluded that collisions play an essential role in determining Alfvén-eigenmode-induced fast-ion transport - an important issue for future fusion devices. In order to address this issue the CKA-EUTERPE model is extended to evolve multiple modes at the same time. First results of this multi-mode version (which enhances the level of realism of the simulations) are shown in the Appendix of the thesis.
Hintergrund: Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, die Analgesiequalität bei Kindern nach Herzoperationen zwischen zwei Patientengruppe mit unterschiedlichen Applikationswegen von Morphin (kaudal epidural (KEM) versus intravenös) zu evaluieren.
Patienten und Methodik: In einer prospektiven, randomisierten, kontrollierten Pilotstudie wurden 60 pädiatrische Patienten untersucht und zwei Gruppen zugeteilt. 30 Patienten erhielten präoperativ epidural-sakrale Injektionen mit Morphin (Gruppe 1). Bei 30 Patienten wurde postoperativ kontinuierlich intravenös Morphin injiziert (Gruppe 0). Zur Erfassung der postoperative Schmerzen und Sedierung wurde die COMFORT Verhaltens Skala (CVS) als Messinstrument eingesetzt. Alle Patienten beider Gruppen erhielten ab dem 1. postoperativen Tag bis zu der Entlassung aus der pädiatrischen Intensivstation (PICU) zusätzlich Paracetamol als peripheres Analgetikum. Bei allen Patienten wurden vor der ersten postoperativen Morphingabe die Schmerzen erfasst. Wenn die Punktezahl der COMFORT Verhaltens Skala ≥ 17 war, wurde Morphin injiziert.
Ergebnisse: 2 Patienten konnten nach den Ausschlusskriterien im Verlauf nicht in diese Studie aufgenommen wurden. Jede Gruppe bestand aus 29 Patienten. Die biometrischen Daten sowie die operativen Eckdaten der zwei untersuchten Patientengruppen zeigten keine Unterschiede. Auffällig war die höhere intraoperative Dosierung von Fentanyl in der Kontrollgruppe, die mit p = 0,0001 ein signifikantes Niveau erreichte. Das Zeitintervall zwischen der Ankunft des Patienten in der PICU und der ersten Opioidanforderung war in der KEM-Gruppe deutlich länger (p <0,0001) als in der Kontrollgruppe (16- 20h vs. 38 min). Der Morphinverbrauch war in den ersten 72 postoperativen Stunden in der KEM Gruppe signifikant niedriger (p<0,0001). 20 Patienten (69,9%) in Gruppe 1 benötigten kein Morphin in der PICU; dagegen alle 29 Kontrollgruppenpatienten. Patienten der Kontrollgruppe waren in den ersten zwei postoperativen Tagen nach intravenösem Morphin zu stark sediert (CVS <11). In der KEM- Gruppe konnten die Patienten früher extubiert (6,3 vs 10,8 std) und früher aus der PICU entlassen werden (3 vs 4 Tage)(p<0,05). Eine auffällig kürzere gesamte postoperative Liegedauer im Krankenhaus (11,7 vs 13,5 Tage) konnte nicht nachgewiesen werden (p>0,05). Die Inzidenz unerwünschter Nebenwirkungen war in beiden Gruppen niedrig. In der KEM-Patientengruppe wurde keine Atemdepression beobachtet und eine eher einsetzende Darmmotilität.
Schlussfolgerungen: Die Betrachtung dieser Studienergebnisse zeigt, dass mit einer präoperative kaudalen epiduralen Morphin-Dosis von 0,06 mg / kg eine gute postoperative Schmerztherapie erreicht werden kann. Der weitere Verbrauch von Schmerzmittel kann gesenkt und eine adäquate Sedierung erzielt werden. Zusätzlich wird eine geringe Inzidenz unerwünschter Nebenwirkungen nach pädiatrischer Herzoperation beobachtet. Eine wirksame Analgesie wurde bis 20 Stunden nach Aufnahme auf der PICU beobachtet.
Schlüsselwörter: kaudale epidurale Morphingabe, Comfort Verhaltens Skala, postoperative Analgesie, pediatrische Herzoperation.
Optomechanical (om) systems are characterized by their nonlinear light-matter interaction. This is responsible for unique dynamic properties and allows the detection of a variety of classical and quantum mechanical phenomena on a microscopic as well as on a macroscopic scale. In this work we have studied the dynamic behavior of two laser-driven om systems, the single om cell ("cavity optomechanics / membrane-in-the-middle setup") and a two-dimensional hexagonal array of these cells ("om graphene"). The first case was motivated by the possibility to detect the transition from quantum mechanics to classical mechanics directly on the basis of the dynamic behavior. For this we focus on multistability effects of the optical and mechanical degrees of freedom, that are modeled by harmonic oscillators. Our description is based on the quantum optical master equation, which takes into account the environmental interaction assuming a vanishing temperature. As a consequence of decoherence, the dynamics occur near the semiclassical limit, i.e. it is characterized by quantum fluctuations. The quantum-to-classical transition is realized formally by rescaling the equations of motion. In the classical limit, quantum fluctuations disappear and the mean field equations were evaluated by analytical and numerical methods. We found that classical multistability is characterized by stationary signatures on the route to chaos, as well as by the coexistence of single-periodic orbits for the mechanical degree of freedom. The latter point was extensively evaluated by means of a self-consistent approach. For the dynamics in the quantum regime quantum fluctuations cannot be neglected. For this purpose, the master equation was solved by means of a numerical implementation of the Quantum State Diffusion (QSD) method. Based on Wigner and autocorrelation functions, we were able to show that quantum multistability is a dynamic effect: chaotic dynamics is suppressed and there is a time-dependent distribution of the phase space volume on classical simple-periodic orbits. The results can be interpreted within a semiclassical picture, which makes use of the single QSD quantum trajectory. Accordingly, the quantum-classical transition is explained as a time-scale effect, which is determined by tunneling probabilities in an effective mean-field potential. The subject of the second part of the work is the transport of low-energy Dirac quasiparticles in om graphene, propagating as light and sound waves. For this purpose, we investigated the scattering of a plane light wave by laser-induced photon-phonon coupling planar and circular barriers. The starting point is the om Dirac equation, which results from the continuum approximation of the Hamiltonian description of the two-dimensional array near the semiclassical limit. This work was motivated by the rich and interesting relativistic transport and tunneling phenomena found for electrons in graphene, which now appear in a new way. The reason is the presence of the new spin degree of freedom, which distinguishes the optical and mechanical excitations. In this spin space, the om interaction can be understood as a potential, which in our analysis consists of a time-independent and a time-dependent sinusoidal part. For the first case of a static barrier, the transport is elastic and is characterized by stationary scattering signatures. After solving the scattering problem via continuity conditions we were able to identify different scattering regimes depending on scattering parameters. In addition to relativistic phenomena such as Klein tunneling, simple parameter variation allows to use the barrier as a resonant light-sound interconverter and angle-dependent emitter. For the oscillating barrier, the transport is inelastic and is characterized by dynamic scattering signatures. To solve the time-periodic scattering problem, we have applied the Floquet theory for an effective two-level system. As a result of the barrier oscillation, photons and phonons can get and give away energy portions in the form of integer multiples of the oscillation frequency. The interference of short (classical) and long-wave (quantum) components leads to mixing of the scattering regimes. This allows to use the barrier as a time-periodic light-sound interconverter with interesting radiation characteristics. In addition, we have argued that the oscillating barrier provides the necessary energetic conditions for detecting zitterbewegung.
Neurosonographischer und klinischer Verlauf von distalen extra- und intrakraniellen Stenosen des vertebrobasilären Stromgebietes in einem ambulanten Patientenkollektiv.
Hintergrund: Ca. 26% der Schlaganfälle sind im vertebrobasilären Stromgebiet lokalisiert. Stenookklusive Veränderungen der intrakraniellen Arteria vertebralis und basilaris bergen nach vorliegenden Studien ein hohes Risiko für ein ischämisches Ereignis. Empirisch hat sich jedoch in einem ambulanten Setting unserer neurovaskulären Sprechstunde trotz einer relativ hohen Dynamik in den neurosonographischen Befunden eine eher geringe Konversionsrate asymptomatischer Stenosen in ein manifestes zerebrovaskuläres Ereignis beobachten lassen.
Methoden: Patienten aus der Neurovaskulären Ambulanz mit seit ≥24 Monaten bekannten vertebrobasilären stenookklusiven Veränderungen wurden prospektiv in die Studie eingeschlossen. Über mindestens ein Jahr erfolgte die Verlaufsbeobachtung der neurovaskulären Befunde mittels extra- und intrakranieller Doppler- sowie Duplexsonographie sowie des neurologischen und funktionellen Status mittels NIHSS und MRS. Demographische Basisdaten, kardiovaskuläre Risikofaktoren, Komorbiditäten und therapeutische Maßnahmen wurden anhand von standardisierten Fragebögen gewonnen. Eine kognitive Leistungserfassung erfolgte mittels MMST, die Erfassung der Lebensqualität mittels EuroQol und SF-36 v.2.0.
Ergebnisse: 94 Patienten (mittleres Alter 69,7 Jahre, 55% männlich) mit einem retrospektiven Beobachtungszeitraum von im Mittel 5,5 Jahre (2-12,9 Jahre) wurden eingeschlossen. An Komorbiditäten war bei 97% eine Hypertonie, 83% eine Dyslipidämie, 67% ein Nikotinabusus, 35% ein Diabetes mellitus, 38% eine koronare Herzkrankheit und 27% eine periphere arterielle Verschlusskrankheit bekannt. Ein zerebrovaskuläres Ereignis hatte vor Einschluss bereits 75% der Probanden, 28% im vertebrobasilären Stromgebiet. Im Follow-Up traten bei 2,4% Schlaganfälle ausschließlich im Carotis-Stromgebiet auf. Bei den stenookklusiven Veränderungen handelte es sich um 63% basiläre (61% leicht-, 25% mittel-, 12% hochgradige, 2% okklusive) und 56% distale vertebrale Läsionen (48%, 15%, 31%, 8%). Bei 21% der Patienten konnten im Follow-Up sonographische Veränderungen beobachtet werden, im hinteren Stromgebiet bei 11% (78% Stenosegrad-Reduktion, 22% -Zunahme) und im vorderen Stromgebiet bei 12% (50%, 60%). Die funktionelle Beeinträchtigung wurde durch den medianen MRS mit 1 (Spanne 0-4; MRS ≤2 88%), den NIHSS mit 0 (0-11) und den MMST mit 29 (22-30) angegeben, im Follow-Up mit leichtem Anstieg des MRS auf 1 (0-6; p=0,038) und des NIHSS auf 1 (0-15; p=0,058). Die klinische Veränderung ging bei 29% mit einer sonographischen Veränderung einher. Die für dieses Kollektiv gute Lebensqualität zeigte im Follow-Up trotz einer signifikanten Besserung der Vitalität eine Reduktion des allgemeinen Gesundheitszustands und der sozialen Funktionalität.
Fazit: In dieser Studie konnten wir trotz eines hohen vaskulären Risikoprofils und einer niedrigen Rate an Sekundärprophylaxe eine Tendenz zur Regredienz der Stenosen im vertebrobasilären Stromgebiet sowie eine sehr niedrige Schlaganfall-Inzidenz beobachten. Im longitudinalen Verlauf zeigte sich ein insgesamt gutes klinisches Outcome mit einer nur leichten, aber signifikanten Verschlechterung. Ursächlich für diese Entwicklung vertebrobasilärer Stenosen sahen wir den im Vergleich zum vorderen Stromgebiet bekannten abweichenden Pathomechanismus, so dass die Schlussfolgerung nahe liegt, dass vertebrobasiläre Stenosen weniger gefährlich sind. Im Weiteren ist zu klären, wie die Entwicklung der vertebrobasilären Stenosen unter verschiedenen Therapieregimen verläuft.
Im Rahmen einer prospektiven Studie von Mai 2012 bis Juni 2013 an 206 Patienten mit lumbalem Facettensyndrom an der Klinik für Orthopädie und orthopädische Chirurgie wurde die Symptomlinderung durch eine stationäre Komplextherapie mit Bildwandler verstärkten Facetteninfiltrationen anhand standardisierter Fragebögen (im Folgenden: Funktionsfragebogen Hannover Rücken, Oswestry Disability Index, Numerische Rating-Skala für Bein- und Rückenschmerz, Center for Epidemiological Studies - Depression Scale, Hospital Anxiety and Depression Scale - deutsche Version, Fragebogen zur Lebenszufriedenheit-Module, SF-12 Health Survey) zu den drei Zeitpunkten vor Infiltration (T1), nach Abschluss der Infiltration – „kurzfristig“ (T2), sowie vier bis sechs Wochen nach Infiltration – „mittelfristig“ (T3) erhoben. Die Patienten wurden entsprechend des Vorhandenseins einer Deformität (in Form einer degenerativen [adulten] Skoliose/ Spondylolisthese) in zwei Gruppen unterteilt und deren Ergebnisse verglichen. Bei 115 Patienten bestand zum Untersuchungszeitpunkt keine Wirbelsäulendeformität, bei 91 Patienten bestand eine Wirbelsäulendeformität. Als statistisches Verfahren kam der Kruskal-Wallis-Test zum Einsatz, mit dem getestet wurde, ob zwischen den zwei Gruppen zu den drei Befragungszeitpunkten signifikante Unterschiede bestanden. Innerhalb einer jeden Gruppe wurden die drei Befragungszeitpunkte untereinander mithilfe des Vorzeichen-Rang Tests auf signifikante Unterschiede getestet. Betrachtet man die wesentlichen Ergebnisse, so zeigt sich, dass das subjektive Schmerzempfinden (NAS-Rücken, NAS-Bein) durch die Therapie signifikant kurz- und mittelfristig sinkt. Hierbei spielt das Vorliegen einer Wirbelsäulendeformität keine Rolle. Die körperliche Funktionsfähigkeit (FFbH-R, ODI) steigert sich signifikant kurz und mittelfristig bei Patienten ohne Deformität, die Gruppe mit Deformität profitiert nur kurzfristig und weist zu beiden Nachuntersuchungszeitpunkten signifikant schlechtere Funktionswerte auf. Die Fragebögen zur depressiven Symptomatik weisen einen kurz- und mittelfristigen Rückgang der depressiven Symptome ohne Gruppenunterschied auf (CES-D), wobei ein Fragebogen (HADS-D) Hinweise auf eine Unterlegenheit der Patienten mit Deformität zum Untersuchungszeitpunkt T3 gibt. Keine signifikanten Veränderungen und Gruppenunterschiede kann der Score zur allgemeinen Lebenszufriedenheit ausmachen, während die Zufriedenheit mit der Gesundheit sich bei allen Patienten kurzfristig und bei Patienten ohne Deformität auch mittelfristig verbessert, wobei diese nur präinterventionell eine signifikant bessere Zufriedenheit zeigen.
Aufgrund dessen sind bei lumbaler Infiltrationstherapie eines Facettensyndroms, insbesondere zur Prognose der Entwicklung der körperlichen Funktionsfähigkeit, die biomechanischen Veränderungen zu beachten. Unabhängig vom Vorliegen einer Deformität hingegen ist die durch die Therapie signifikant verminderte subjektive Schmerzwahrnehmung. Weiterhin gibt das Vorhandensein einer Deformität, in verschiedener Ausprägung im jeweiligen Score, Hinweise auf die Dauer der Symptomverbesserung.
Zielsetzung: Die antimikrobielle Wirksamkeit von kaltem Atmosphärendruckplasma(CAP), auch als gewebeverträgliches Plasma (TTP) bezeichnet,könnte eine aussichtsreiche Option zur Eradikation von Methicillinempfindlichen ebenso wie von Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus-Stämmen sein, die oft chronische Wunden kolonisieren. Bisher wurde der Einfluss von CAP auf die Antibiotikaempfindlichkeit von S. aureus kaum untersucht. Da eine Veränderung der Antibiotikaempfindlichkeit für die Wundbehandlung relevant sein könnte, sollte der Einfluss von CAP auf die Empfindlichkeit verschiedener S. aureus-Stämme gegen unterschiedliche Antibiotika untersucht werden.
Methode: Im Agardiffusionstest wurden Antibiotikatestplättchen mit Cefuroxim, Gentamicin, Oxacillin, Vancomycin, Ciprofloxacin, Co-Trimoxazol, Clindamycin und Erythromycin eingesetzt. Die Teststämme wurden auf Agar ausplattiert und mit CAP exponiert, bevor die Testplättchen aufgelegt wurden. Nach 24 h Bebrütung wurden die Inhibitionszonen gemessen und statistisch auf Unterschiede geprüft.
Ergebnisse: In den meisten Fällen war die Einfluss von CAP auf die Antibiotikaempfindlichkeit zu vernachlässigen. Für zwei Stämme wurde die Empfindlichkeit gegenüber β-Lactam-Antibiotika signifikant herabgesetzt.
Schlussfolgerung: Da CAP die Antibiotikaempfindlichkeit beeinflussen kann, sollten vor beabsichtigter kombinierter lokaler CAP-Behandlung und gleichzeitiger systemischer Antibiotikagabe Interaktionen in vitro untersucht werden, um unerwünschte Kombinationseffekte auszuschließen.
Ein Mangel an spezifischen Symptomen und diagnostischen Möglichkeiten verhindert häufig eine frühe Diagnosestellung und damit eine effektive Therapie des OC. Das Hitzeschockprotein HSP27 ist in die Progression vieler maligner Krebserkrankungen involviert und nachweislich in einer Vielzahl solider Tumoren hochreguliert. HSP27-Serumspiegel korrelieren mit der Aggressivität und Chemotherapieresistenz des OC. Daher stellt HSP27 einen potentiellen Biomarker für die Diagnostik, Prognose und Therapie des OC dar.
Die aktive Sekretion von HSP27 wurde bereits für diversen Zelltypen beschrieben und findet auch in Zellen ovariellen Ursprungs statt. Daher wurde die HSP27-Sekretion in dieser Arbeit im Zellkulturmodell mit den Ovarialkarzinomzelllinien OVCAR-3, SK-OV-3 und TOV-21G untersucht. Die Überexpression von HSP27 wurde sowohl gentechnisch mittels des DNA-Vektors pHSP27, als auch mittels Hitzeschock-Behandlung simuliert. Western Blot und ELISA Messungen dienten der Bestimmung der intra- und extrazellulären HSP27-Konzentration. Die Inhibition des intrazellulären Proteintransportes durch das ER wurde durch BFA realisiert. Der Transfektion der Zellen mit dem Vektor pHSP27 folgte eine Steigerung der intrazellulären HSP27-Expression. Diese war assoziiert mit signifikant erhöhten extrazellulären HSP27-Konzentrationen. Diese Ergebnisse konnten durch die Hitzeschock-Versuche bestätigt werden. Die Inhibition des ER-abhängigen intrazellulären Transportmechanismus durch BFA lässt auf eine aktive Sekretion von HSP27 über einen alternativen Mechanismus schließen.
In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die HSP27-Sekretion in OVCAR-3, SK-OV-3 und TOV-21G Zellen von der intrazellulären HSP27-Konzentration abhängig, aber unabhängig von ER-Transportmechanismen in den Ovarialkarzinomzellen ist. Die Anwesenheit von HSP27 im Serum von Patientinnen deutet darauf hin, dass die HSP27-Sekretion eine Funktion bzgl. der Tumorprogression des OC besitzt. Daher könnte die Konzentration an sekretiertem HSP27 als Biomarker für Diagnostik und Therapieverlauf sowie intrazelluläres HSP27 als Zielmolekül für die Therapie des Ovarialkarzinoms von Bedeutung sein.