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Interactions between bacteria and the human body are manifold and happen constantly. Most parts of the skin and gastrointestinal tract, the saliva, the oral mucosa, the conjunctiva and the vaginal mucosa are colonized with a multitude of bacterial species forming the human microbiota. Strikingly, the estimated amount of bacterial cells outnumbers the human body by 10 to 1. However, most of these bacteria colonize the human body without positive or negative effects and are regarded as commensals. Staphylococcus aureus a Gram positive bacterium is such a commensal bacterium of 25 % to 30 % of the world population. It is also an opportunistic pathogen and is able to cause infections in the lung, skin and heart and to induce sepsis. Its pathogenicity is mainly facilitated by the secretion of a broad spectrum of virulence factors which interact with the host. Some are distracting the immune system, others are targeting the host cell membrane or degrade macromolecular structures of the host in order to provide nutrients. Furthermore S. aureus is able to invade the host cell and to survive and replicate in the host cell cytosol or other compartments. The Gram negative proteobacterium Burkholderia pseudomallei is an environmental bacterium but still has the ability to enter the human body via body orifices or skin wounds. In a very efficient way it penetrates the host cell, replicates intracellular and the uses host structures to spread from cell to cell thereby causing the disease melioidosis often with fatal outcomes. Since the natural habitats of B. pseudomallei are wet soils, the change to the environment in the human body is drastic and requires a high degree of flexibility of the bacterium. Environmental stress conditions such as temperature, pH, nutrient limitation or presence of antibiotics induce a switch of colony morphology which is a special characteristic of this bacterium. Since it is assumed, that changes in colony morphology are connected to adaptive processes to the environmental changes, these morphology switches might also be important during infection. The host organism and the host cell on the other side try to kill and remove the bacterial threat by activating the immune system and cellular defence mechanisms. This includes generation of reactive oxygen and nitrogen species, production of antimicrobial peptides and cellular processes such as phagocytosis, autophagy, apoptosis and activation of the immune response. The actions and reactions on both, the pathogen side and the host side, are summarized as host-pathogen interactions. In the field of functional genomics, methods were developed to understand various levels of host-pathogen interactions. The holistic analysis of the mRNA (the transcriptome) or translated proteins (the proteome) were already very useful tools to describe important cellular processes on the host and the pathogen site. The level of metabolites with regard to host-pathogen interactions however, has been neglected so far. In this dissertation the metabolic composition in the intracellular and extracellular space of the host and the pathogen was analyzed. For this matter biochemical analytical tools were used such as 1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy and chromatographic methods (GC and HPLC) coupled to mass spectrometry. The combination of these methods allows a broad coverage of physicochemical diverse metabolites. In accordance to the above mentioned biological levels like mRNA and proteins, the sum of all metabolites is referred as the metabolome. Consequently to transcriptomics and proteomics the analysis of the metabolome is referred as metabolomics. To gain insights into the infection relevant metabolome of the host-pathogen relationship between S. aureus and human lung cells several approaches were developed. First the distribution of the recently identified bacillithiol in different S. aureus strains was investigated with regard to its role during the infection. For that matter a HPLC-methodology was used with fluorescence based detection of labelled low molecular weight thiols (article I: Distribution and infection-related functions of bacillithiol in Staphylococcus aureus). After that the next aim was to reveal the effect of S. aureus on the host cell metabolism. To reduce the complexity of effects on the host cells an artificial model was chosen in a first approach. The lung cells were treated with the staphylococcal virulence factor alpha-hemolysin, a pore forming toxin and a holistic metabolomics approach was performed (article II: Staphylococcus aureus Alpha-Toxin Mediates General and Cell Type-Specific Changes in Metabolite Concentrations of Immortalized Human Airway Epithelial Cells). Using this approach, a protocol for cell culture metabolomics was established and first changes in the host cell metabolome that could be caused by S. aureus were described. However, this only describes specific changes caused by one single virulence factor and does not necessarily describes the reality during a S. aureus infection. Therefore in a next approach, an infection model using a human lung epithelial cell line and the S. aureus strain USA300 was established and used for metabolome analysis. Furthermore a combination of inhibitor treatment and metabolic labelling was used to clarify the metabolic activity in the host cell after exposure to S. aureus (article III: Metabolic features of a human airway epithelial cell line infected with Staphylococcus aureus revealed by a metabolomics approach). Finally this thesis deals with the host-pathogen interaction of B. pseudomallei and its host with a focus on the role of the switch in colony morphology in basic metabolism. Various morphotypes of two strains were generated by nutrient limitation and their uptake of nutrients was monitored. Furthermore the morphotypes were used in in vitro and in vivo infections and subsequently isolated out of the cell line and mice respectively. After isolation, the colony morphology was determined and again the nutrient uptake profile was monitored (article IV: Burkholderia pseudomallei morphotypes show a synchronized metabolic pattern after acute infection). The information provided by this thesis adds a new complexity to the knowledge about the host-pathogen interactions of S. aureus and B. pseudomallei and their hosts. It furthermore lays the groundwork for future studies, which will deal with these and other bacterial host-pathogen interactions in order to understand the interdependencies of infection and metabolism.
Häufig sind Pathologien an der Aorta mit Veränderungen des Aortendurchmessers verbunden. Kenntnisse über Referenzwerte des Aortendurchmessers und deren Einflussfaktoren sind wichtige Aspekte der Prävention und optimalen Versorgung von potenziell lebensbedrohlichen Erkrankungen in diesem Abschnitt des Gefäßsystems. Die Ziele dieser Arbeit waren die Bestätigung einer ausreichenden Validität von Messungen des Durchmessers der thorakalen und abdominalen Aorta in nativen VIBE-Sequenzen der MRT, die Beschreibung von bevölkerungsrelevanten Referenzwerten des Durchmessers der abdominalen Aorta und die Untersuchung des Einflusses von kardiovaskulären Risikofaktoren auf diesen Durchmesser. Für die Analyse der Validität standen 50 männliche Probanden zur Verfügung, bei welchen im Rahmen der SHiP-Studie sowohl eine CE-MRA, als auch eine native MRT in der VIBE-Sequenz durchgeführt wurde. Die Vermessung der Aorta erfolgte dabei in der CE-MRA in orthogonaler und in der VIBE-Sequenz in axialer Darstellung. Zur Überprüfung der Validität wurde im Anschluss der Korrelationskoeffizient r nach Bravais und Pearson berechnet, wobei sich starke Korrelationen ergaben für die Aorta Ascendens mit r = 0,95 (P<0,0001), für die Aorta Descendens mit r = 0,88 (P<0,0001), für die suprarenale Aorta mit r = 0,92 (P<0,0001) und die infrarenale Aorta mit r = 0,87 (P<0,0001). Beim Arcus Aortae zeigte sich eine moderate Korrelation mit r = 0,78 (P<0,0001). Bei einer durchgeführten Bland-Altman-Analyse lag der größte mean bias bei 5,55% für die infrarenale Aorta, was einer Abweichung von unter 0,1cm entspricht. Bei allen weiteren Abschnitten war der mean bias geringer. Die 95% LOA lagen für alle Abschnitte unter 15% mit maximal 14,29% bei der infrarenalen Aorta, was weniger als 0,5cm entspricht. Die Analyse der Intraoberservervariabilität erbrachten einen maximalen mean bias von 1,32% und die 95% LOA immer unter 13%. Bei der Interobservervariabilität ergab sich ein maximaler mean bias von 1,61% und die 95% LOA lagen stets unter 10%. Demensprechend besitzt die axiale Durchmesserbestimmung der Aorta in der nativen VIBE-Sequenz eine ausreichende Validität und Reliabilität und kann für epidemiologische Studien genutzt werden. Für die Erstellung von Referenzwerten des Durchmessers der abdominalen Aorta konnten Bilddaten von 1759 Probanden der SHiP-Studie genutzt werden. Die erstellten Referenzwerte sind nach Geschlecht aufgeteilt, an die Körperoberfläche angepasst und beinhalten den Median und die 5. und 95. Perzentile des Durchmessers der subphrenischen, suprarenalen und infrarenalen Aorta. Zur Untersuchung des Einflusses von kardiovaskulären Risikofaktoren wurden Modelle der linearen Regression genutzt. Hier zeigten sich konstante Zunahmen des angepassten Aortendurchmessers in Verbindung mit dem Alter, dem Rauchverhalten, dem diastolischen Blutdruck und dem HDL-Cholesterin. Konstant negative Korrelationen ergaben sich bei der Untersuchung des Einflusses des systolischen Blutdrucks, des HbA1c, des LDL-Cholesterins und der Triglyzeride. Das männliche Geschlecht war lediglich bei der infrarenalen Aorta mit einer Durchmesserzunahme assoziiert und der angepasste Durchmesser war bei Männern im Bereich der subphrenischen und suprarenalen Aorta kleiner als bei Frauen. Durch die in dieser Arbeit beschriebenen Referenzwerte und die Untersuchung des Einflusses von kardiovaskulären Risikofaktoren wird eine individuellere Beurteilung des Durchmessers der abdominalen Aorta ermöglicht. Zusätzlich können durch die Validierung der Durchmesserbestimmung in nativen MRT-Aufnahmen zukünftige Studien auf diesem Gebiet erleichtert werden.
Introduction: Inhibition of androgen synthesis by abiraterone acetate (AA) entails enhanced overall survival rates and clinical benefit for patients with locally advanced and metastasized prostate cancer (PC). The expression of heat shock protein 27 (HSP27) is generally associated with cytoprotection and was demonstrated to mediate chemoresistance under cytostatic therapy, for instance, docetaxel treatment. In this study, we investigated the impact of AA treatment on HSP27 expression and PC cell growth. Materials and Methods: HSP27 expression levels in docetaxel and AA-treated PC cell lines LNCaP and PC-3 were determined by SDS PAGE and Western blot analysis. Proliferation assays were performed using a CASY Cell Counter and Analyzer Model TT (Roche Applied Science). Results: Despite significantly increased HSP27 expression in PC cells incubated with docetaxel, Western blot analysis implicated a significant reduction of the cytoprotective HSP27 in AA-treated PC cells. Notably, HSP27 stably overexpressed in PC-3-HSP27 cells did not appear as an HSP27-mediated proliferation benefit in the presence of AA as shown in docetaxel incubation studies. Conclusion: In contrast to repeatedly demonstrated HSP27-driven chemoresistance related to chemotherapeutics, our results may constitute a broader molecular mode of action of AA chemotherapy. AA efficacy may exert an HSP27 suppressive role that goes beyond the primarily assumed inhibition of androgen biosynthesis.
Comprehensive study of the discharge mode transition in inductively coupled radio frequency plasmas
(2016)
In this contribution, the mode transition of an inductively coupled radio frequency plasma at low pressure is investigated. Therefore, a comprehensive set of plasma diagnostics were applied to determine plasma and processing parameters. Therewith, the plasma kinetics and especially the important elementary processes were studied. Hence, the reason for the mode transition was identified.
In der Querschnittsanalyse der Daten der bevölkerungsrepräsentativen Studie „Study of Health in Pomerania“ (SHIP 0) konnten allgemein anerkannte und gut erforschte Zusammenhänge zwischen Parodontalerkrankungen und deren Risikofaktoren belegt werden. Die hohe Probandenanzahl von 2208 Teilnehmern ermöglichte es, die Prävalenz von Zahnfehlstellungen als Risikofaktor bezüglich parodontaler Erkrankungen in Mecklenburg-Vorpommern zu berechnen. Ziel dieser Arbeit war es, einen Überblick über die soziodemographischen Aspekte des definierten Probandenguts zu geben. Neben den allgemeinen Faktoren sollten prävalenzbezügliche Aussagen über parodontale und kieferorthopädische Parameter getroffen werden. Dabei wurden Dysgnathiesymptome des Frontzahnbereiches und des Gesamtgebisses separat untersucht und eugnathen Gebissverhältnissen gegenüber gestellt. Darauf folgte das Auffinden möglicher signifikanter Zusammenhänge parodontaler Faktoren mit zunächst allgemeinen Faktoren und im Weiteren mit Zahn- und Kieferfehlstellungen. Es wurden Regressionsmodelle erstellt, mit deren Hilfe mögliche Risikofaktoren für parodontale Erkrankungen bestimmt werden konnten. Letztendlich wurden durch rückwärts bedingte Regression mögliche Assoziationen zwischen Parodontalerkrankungen und Malokklusionen untersucht. Durch die Analyse der Daten konnte belegt werden, dass neben gut untersuchten statistischen Zusammenhängen mit allgemeinen Risikofaktoren wie Geschlecht, Schulbildung, Alter, Rauchverhalten, Familienstand sowie Plaque- und Blutungsindizes, auch ziemlich sichere Zusammenhänge zwischen parodontalen Erkrankungen und bestimmten Zahn- und Kieferfehlstellungen bestehen. Es fanden sich deutliche Hinweise, dass insbesondere eine vergrößerte sagittale Schneidekantendistanz (SKD) als Risikofaktor für Parodontalerkrankungen gesehen werden muss (p < 0,001). Hier fiel eine Dosis-Wirkungsbeziehung auf, da mit der Größe des Abstands der Schneidekanten die statistische Signifikanz in jeder der vier Betrachtungen zunahm. Des Weiteren schienen Lücken im Frontzahnbereich sowie extreme Engstände in Verbindung mit parodontalen Erkrankungen zu stehen. Es stellte sich die Frage nach der Kausalität, also ob diese Fehlstellungen, insbesondere eine lückige Zahnstellung im Frontzahnbereich, aber auch eine vergrößerte sagittale Schneidekantendistanz sowie extremer Engstand, Auslöser oder Folge einer Parodontitis marginalis chronica sind. Klarheit über die Frage nach Ursache und Wirkung kann hier nur eine Longitudinalstudie schaffen. Zusätzlich zeigte sich, dass neben allgemeinen Faktoren wie beispielsweise guter Schulbildung, Nichtrauchen und dem weiblichen Geschlecht anzugehören, auch spezielle Zahn- und Kieferfehlstellungen einer Parodontalerkrankung entgegenwirken können. Ein tiefer Biss ohne Gingivakontakt war hoch signifikant (p < 0,001) mit deutlich weniger Attachmentverlust assoziiert. Auch ein tiefer Biss mit Gingivakontakt und ein Kopfbiss schienen signifikant protektiv auf Attachmentverluste zu wirken. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass insgesamt wenige Malokklusionen mit höheren Attachmentverlusten und Sondierungstiefen assoziiert waren. Somit ist eine kieferorthopädische Behandlung mit dem Ziel der Verbesserung der parodontalen Situation nur bei den Malokklusionen mit erhöhtem Risiko für Attachmentverluste und höheren Sondierungstiefen indiziert. Eine gute Mundhygiene und die Vermeidung von Nikotin waren und sind für die Parodontitisprophylaxe wesentlichere Faktoren.
Diese Arbeit widmet sich der funktionellen und strukturellen Untersuchung von SCO3201, einem Protein aus der Klasse der TetR-Repressoren, dessen Struktur bisher unbekannt war und das eine geringe sequenzielle Ähnlichkeit zu anderen Mitgliedern seiner Familie besitzt. SCO3201 wurde als Repressorprotein identifiziert, das durch Überexpression sowohl die Antibiotikaproduktion, als auch die morphologische Differenzierung von Streptomyces coelicolor unterdrückt. In früheren Arbeiten wurde gezeigt, dass SCO3201 an mindestens 16 verschiedene Promotor-Sequenzen binden kann. Das Protein konnte in E. coli exprimiert und anschließend isoliert werden. Wegen des Fehlens geeigneter Strukturmodelle gelang eine Strukturlösung mittels Molekularem Ersatz nach erfolgreicher Kristallisation zunächst nicht. Mittels Single-Wavelength-Anomalous-Dispersion-Methode konnte die Struktur des teilweise induzierten Proteins jedoch aufgeklärt werden. Zudem wurde eine Apo-Form des Proteins kristallisiert und ebenfalls strukturell aufgeklärt. Dies erlaubte die Lokalisation der Ligandenbindungstasche und ließ Rückschlüsse auf die Domänenbewegungen zu, die durch den Prozess der Induktion ausgelöst werden. Daneben wurde mittels Röntgenkleinwinkelstreuung die Struktur von SCO3201 in Lösung untersucht, um eventuelle Kristallisationsartefakte auszuschließen. Durch den Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA) wurde außerdem die Interaktion zwischen dem Regulator SCO3201 zu seinen Operatoren untersucht.
Staphylococcus aureus is present in around a third of the human population as a constant commensal in the anterior nares, in a third as an intermittent commensal, and a third are non-carriers. However, S. aureus is also a dangerous pathogen, responsible for many types of infections. Recently, the emerging of methicillin-resistant S. aureus strains has aggravated the health problem. Treating infections caused by the invasive strains has become ineffective with conventional antibiotics. Noticeably, transmission of S. aureus has occurred not only in healthcare settings but also in the community; furthermore, transmission between humans and domestic animals has been reported. Although studies about host-pathogen interactions of S. aureus have advanced our knowledge in the last decades, we still have not fully understood mechanisms of the immune system in responses to S. aureus. The aim of this study is to unravel interactions of the human adaptive immune system to selected S. aureus virulence factors. In particular, the study focuses on two aspects: the reaction of human antibodies to the bacterial extracellular proteins in S. aureus-induced furunculosis with an emphasis on Panton-Valentine Leukocidin and responses of the adaptive immune system to membrane-bound lipoproteins of S. aureus. Furunculosis is a variety of hair follicle infection in which S. aureus is one of the chief causal pathogens involved. The corresponding bacterial strains are generally capable of producing of a pore-forming toxin, known as Panton-Valentine Leukocidin (PVL). Recently, the emerging of pvl-positive methicillin-resistant S. aureus has become a problem for treating the bacterially caused furuncles. Colonization with the bacteria is a risk factor for development of chronic or recurrent boils. It is not yet known why furunculosis patients are largely infants or young adults. In this context, we untangled the responses of antibody IgG antibodies to S. aureus extra-cellular factors, notably the PVL toxin, in families in which the patients were children. Multiplex PCR demonstrated that S. aureus clones, isolated from the patients’ wounds but also from the nares of family members, harbored genes coding for PVL toxin. Spa-typing highlighted that bacterial genotypes were very similar in each family. This suggests that transmission of pvl-positive S. aureus took place between family members. The finding also raises the question why only the young patients but not family members who were colonized by the same S. aureus clones suffered from furunculosis. 2D immune proteomics procedures showed a tendency of higher IgG titers against bacterial virulence factors in family healthy members than in patients. PVL-specific antibodies were measured using ELISA, in which patients’ PVL-specific IgG titers were low. This supports the idea that antibodies, probably in conjunction with T cells, might contribute to clinical protection in furunculosis. This research will serve as a foundation for future studies, in which our results should be validated in a larger cohort. Among S. aureus’ virulence factors are lipoproteins, which are anchored in the bacterial cell membrane. Lipoproteins perform various functions in colonization, immune evasion, and immunomodulation. These proteins are potent activators of the complex of innate immune receptors termed Toll-like receptors (TLR) 2 and 6. This study addressed the specific B-cell and T-cell responses to lipoproteins in human S. aureus carriers and non-carriers. 2D immune proteomics and ELISA approaches revealed that titers of serum antibody (IgG) binding to the S. aureus lipoproteins were very low or even unmeasurable in healthy individuals except for the lipoprotein SaeP. Only patients with cystic fibrosis or epidermolysis bullosa who were heavily exposed to the bacteria, generated an antibody response also to lipoproteins. Proliferation assays and cytokine profiling data showed only subtle responses of T cells in healthy individuals; three out of eight tested lipoproteins did not elicit proliferation. Hence, the robust activation of the innate immune system by S. aureus lipoproteins does not translate into a strong adaptive immune response. Reasons for this may be inaccessibility of lipoproteins for B cells as well as ineffective processing and presentation of the antigens to T cells. The main findings implicate that family members can serve as S. aureus reservoirs causing recurrent furunculosis in young patients and that antibodies may provide partial protection from such infections by S. aureus. We have found that, different from proteins that are secreted by S. aureus, lipoproteins which anchored in the bacterial cell membrane, do not trigger strong responses from the human adaptive immune system. This suggests that these proteins remain mostly hidden in the bacterial cell-wall.
Neue robuste Methoden zur Herzschlagerkennung und zur Quantifizierung der Herzfrequenzvariabilität
(2016)
Für die Analyse der Herzfrequenz ist eine genaue Detektion des Herzschlags aus Rohdaten unerlässlich. Standardmethoden der Herzschlagerkennung sind für elektrische Biosignale konfiguriert worden, die in einem standardisierten klinischen Umfeld erhoben wurden, insbesondere für das Elektrokardiogramm. Im Zuge neuer Möglichkeiten zur Erfassung der Vitalparameter (über Smartphone, drahtlose Möglichkeiten) und zur Reduktion von Falschalarmen im Krankenhaus werden zunehmend robuste Methoden benötigt. Im ersten Kapitel haben wir einen neuen Algorithmus eingeführt, welcher in der Lage ist, unterschiedliche Wellenformen zu verarbeiten und die Informationen aus mehreren gleichzeitig erhobenen Biosignalen zu bündeln. Die Leistungsfähigkeit wurde im Vergleich mit anderen Methoden an freien Datensätzen überprüft und wir konnten uns von der vielfältigen Anwendbarkeit und der Störungsresistenz überzeugen. Im zweiten Kapitel haben wir uns mit der Quantifizierung der Herzfrequenzvariabilität (HRV) beschäftigt und ein neues leicht verständliches Maß eingeführt. Das dafür notwendige Konzept von relativen RR-Abständen wurde diskutiert und die Nutzung zur Artefaktfilterung und zur Klassifikation von Arrhythmiearten aufgezeigt. Vor- und Nachteile klassischer Methoden der HRV haben wir durch einige mathematische Eigenschaften begründet. Im dritten Kapitel der Dissertation haben wir das neue Maß an realen Daten angewendet und die Abhängigkeit der HRV vom Alter der Probanden und von der Herzfrequenz untersucht. Zudem haben wir periodische Strukturen des Streudiagramms von relativen RR-Abständen betrachtet, für die die Atmung ursächlich ist. Als wissenschaftliche Transferleistung wurde abschließend ein freies Programm geschaffen, welches die neuen robusten Methoden umsetzt.
Ausbildung des Charakters
(2016)