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Climate-linked temporal and spatial patterns in the evolution of African bovidae
(2012)
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Tim Frederic Schikora
- Climate and subsequent environmental changes are regarded as one driver of species evolution. Against this background the present study investigates the evolutionary history of the mammalian family Bovidae (Cetartiodactyla, Mammalia), today the most species-rich family of large herbivores on the African continent. Temporal and spatial patterns in that group’s evolution are the focus of the present study and were investigated using methods and data deriving from multiple disciplines (palaeontology, genetics, climatology, conservation biology). The results serve as a validation of macroevolutionary hypotheses of species evolution.
A major proportion of African mammalian fossils can be assigned to that family. Due to their morphological adaptations, bovid species are highly indicative of their habitats. Hence, bovids are of great importance for paleontology. However, a strong taphonomic bias is present in the fossil record of bovids, favoring large and arid- adapted species. Molecular phylogenies of extant species and species distribution modelling combined with climate reconstructions can help to overcome these limitations.
A molecular phylogeny, based on the cytochrome b gene of 136 bovid species served as basis for analysis of temporal patterns. Divergence events were dated using the relaxed molecular clock approach. The tree was time calibrated at 30 nodes using information inferred from the fossil record. Lineage-Through-Time plots and the respective statistical analyses reveal detailed temporal patterns in the evolutionary history of tribes and groups combining arid- and humid-adapted tribes. The resulting pattern shows three distinct phases. Phase 1 (P1) is dominated by speciation events within the humid group, while the second phase (P2) is marked by a dominance of speciation within the arid group. The switch in diversification rates (BDS) from P1 to P2 is dated to 2.8 million years ago. The third phase (P3) shows low diversification rates for all groups, starting around 1.4 million year ago and culminates in a significantly reduced diversification rate for the complete family at 0.8 million years ago. Both transitions are contemporaneous with global climate changes and turnover events in fossil faunal communities.
To investigate the impact of climate changes onto the habitat availability within the last 3 million years and its putative influence on diversification rates, the species distribution modeling method was applied. For 85 African species and subspecies the climate niches were established and grouped into 5 climate-groups based on their climate preferences. For each group the available habitat for the period before and after the BDS was calculated on continental scale using reconstructed climate scenarios. To evaluate the modeled habitat distributions, regional analyses were performed in test areas surrounding well studied fossil sites (Laetoli, Olduvai, Chiwondo Beds, Lothagam, Koobi Fora, West Turkana, Swartkrans, Sterkfontain und Toros-Menalla). Habitat profiles (HP) permitted the comparison of the model based habitat reconstruction with the interpretations of classic paleontological reconstruction. The validity of the habitat modeling has been shown in particular for East African test areas. The reconstructions for the northern and southern fossil sites does not support the modeled habitats in these areas. Yet, the method of habitat- profiling may serve as suitable tool for environmental reconstruction of areas lacking sufficient paleontological material. A comparison of habitat availability before and after the BDS on continental scale identified a significant loss of habitat for humid adapted groups (7-22%) and habitat gain for arid adapted groups (19-173%). The climatically intermediate group experiences a tremendous gain of habitat (3366%). The greatest environmental change was modeled for East Africa, initiated by a progressive regional aridification.
In addition to the distribution modeling for past climate conditions, the geographical distribution was modeled for the future, i.e. for climate scenarios representing the years 2050 and 2080 under a putative climate change scenario (global surface warming). It was shown that in particular the arid groups have to expect a remarkable loss of habitat (41-76%), while a gain of available habitat can be expected for the humid adapted groups (114-577%). The climatically intermediate group suffers the strongest habitat loss (85%). Regions with locally stable climate conditions were detected and may serve as potential refugia and are already today known as Africa’s hot spots of biodiversity.
The results show a positive correlation of high diversification rates and increasing habitat availability. None of the tested speciation hypotheses taken alone explains the observations (e.g., Turnover-pulse Hypothesis, Relay Model). A major element in these hypotheses is the passive fragmentation of populations induced by unfavorable climate changes. In contrast, the Periodic Model (Grubb 1999) considers natural, periodically recurring climate changes and moreover, the active dispersal of individuals and resulting founder events. I added the effect of a superimposed directed climate trend – like the progressive aridification since the late Pliocene in Africa – which leads to a bias in the proportion and probability towards leading edge effects. This Directed Periodic Model explains the patterns found in the evolution of Bovidae.
The combination of a molecular phylogeny and species distribution modeling, together with information inferred from the fossil record, reveals remarkable temporal and spatial patterns in the evolution of bovids, and helps overcome the limitations of the fossil record. The present study highlights the importance of active dispersal and founder populations in speciation processes. A point widely unattended in speciation hypotheses. The fully dated molecular phylogeny is the most densely sampled tree for the family Bovidae to date and may serve as a framework for a connection of present and future population studies, permitting the connection of medium-scale with long- term effects induced by climate and environmental changes.
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Resonant pickups for non-destructive single-particle detection in heavy-ion storage rings and first experimental results
(2013)
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Mohammad Shahab Sanjari
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Soziale Interaktion auf Finanzmärkten
(2013)
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Frederik König
- Ziel meiner Dissertation ist die empirische Analyse von Auswirkungen der sozialen Interaktion zwischen Akteuren auf Finanzmärkten.
In meinem ersten Aufsatz stelle ich ein Marktpreismodell vor, welches dem Einfluss durch soziale Interaktion Rechnung trägt. Mit Hilfe dieses Modells gehe ich der Fragestellung nach, ob soziale Interaktion zwischen Marktteilnehmern eine stabilisierende oder eine destabilisierende Wirkung auf Finanzmärkte hat. Mit meinem zweiten Aufsatz untersuche ich das Verhalten von Aktienanalysten, die als wesentlicher Impulsgeber für Finanzmärkte gelten. Konkret stelle ich heraus, ob Analysten stärker von anderen Analysten beeinflusst werden, wenn diese im gleichen Land bzw. in der gleichen Stadt arbeiten oder wenn sogar ein regelmäßiger Meinungsaustausch erfolgt. Beides setzte ich ins Verhältnis zum vorherrschenden Marktumfeld. In meinem dritten Aufsatz beschäftige ich mich mit der sozialen Interaktion zwischen Fondsmanagern. Diese verwalten in etwa ein Drittel des frei handelbaren Aktienvermögens und haben folglich einen nennenswerten Einfluss auf Finanzmärkte. Mit Hilfe einer neuartigen Schätzmethode bestimme ich die Größe des sozialen Einflusses und untersuche auch hier temporale Variationen im Verhältnis zum zu Grunde liegenden Marktumfeld. Des Weiteren zerlege ich die Gesamtgröße des sozialen Einflusses in zwei Komponenten, die zum einen den Einfluss im Rahmen der reinen Beobachtung und zum anderen den Einfluss durch Kommunikation reflektieren.
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On the geometry, topology and approximation of amoebas
(2013)
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Timo de Wolff
- We investigate multivariate Laurent polynomials f \in \C[\mathbf{z}^{\pm 1}] = \C[z_1^{\pm 1},\ldots,z_n^{\pm 1}] with varieties \mathcal{V}(f) restricted to the algebraic torus (\C^*)^n = (\C \setminus \{0\})^n. For such Laurent polynomials f one defines the amoeba \mathcal{A}(f) of f as the image of the variety \mathcal{V}(f) under the \Log-map
\Log : (\C^*)^n \to \R^n, (z_1,\ldots,z_n) \mapsto (\log|z_1|, \ldots, \log|z_n|).
I.e., the amoeba \mathcal{A}(f) is the projection of the variety \mathcal{V}(f) on its (componentwise logarithmized) absolute values.
Amoebas were first defined in 1994 by Gelfand, Kapranov and Zelevinksy. Amoeba theory has been strongly developed since the beginning of the new century. It is related to various mathematical subjects, e.g., complex analysis or real algebraic curves. In particular, amoeba theory can be understood as a natural connection between algebraic and tropical geometry.
In this thesis we investigate the geometry, topology and methods for the approximation of amoebas.
Let \C^A denote the space of all Laurent polynomials with a given, finite support set A \subset \Z^n and coefficients in \C^*. It is well known that, in general, the existence of specific complement components of the amoebas \mathcal{A}(f) for f \in \C^A depends on the choice of coefficients of f. One prominent key problem is to provide bounds on the coefficients in order to guarantee the existence of certain complement components. A second key problem is the question whether the set U_\alpha^A \subseteq \C^A of all polynomials whose amoeba has a complement component of order \alpha \in \conv(A) \cap \Z^n is always connected.
We prove such (upper and lower) bounds for multivariate Laurent polynomials supported on a circuit. If the support set A \subset \Z^n satisfies some additional barycentric condition, we can even give an exact description of the particular sets U_\alpha^A and, especially, prove that they are path-connected.
For the univariate case of polynomials supported on a circuit, i.e., trinomials f = z^{s+t} + p z^t + q (with p,q \in \C^*), we show that a couple of classical questions from the late 19th / early 20th century regarding the connection between the coefficients and the roots of trinomials can be traced back to questions in amoeba theory. This yields nice geometrical and topological counterparts for classical algebraic results. We show for example that a trinomial has a root of a certain, given modulus if and only if the coefficient p is located on a particular hypotrochoid curve. Furthermore, there exist two roots with the same modulus if and only if the coefficient p is located on a particular 1-fan. This local description of the configuration space \C^A yields in particular that all sets U_\alpha^A for \alpha \in \{0,1,\ldots,s+t\} \setminus \{t\} are connected but not simply connected.
We show that for a given lattice polytope P the set of all configuration spaces \C^A of amoebas with \conv(A) = P is a boolean lattice with respect to some order relation \sqsubseteq induced by the set theoretic order relation \subseteq. This boolean lattice turns out to have some nice structural properties and gives in particular an independent motivation for Passare's and Rullgard's conjecture about solidness of amoebas of maximally sparse polynomials. We prove this conjecture for special instances of support sets.
A further key problem in the theory of amoebas is the description of their boundaries. Obviously, every boundary point \mathbf{w} \in \partial \mathcal{A}(f) is the image of a critical point under the \Log-map (where \mathcal{V}(f) is supposed to be non-singular here). Mikhalkin showed that this is equivalent to the fact that there exists a point in the intersection of the variety \mathcal{V}(f) and the fiber \F_{\mathbf{w}} of \mathbf{w} (w.r.t. the \Log-map), which has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map. We strengthen this result by showing that a point \mathbf{w} may only be contained in the boundary of \mathcal{A}(f), if every point in the intersection of \mathcal{V}(f) and \F_{\mathbf{w}} has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map.
With respect to the approximation of amoebas one is in particular interested in deciding membership, i.e., whether a given point \mathbf{w} \in \R^n is contained in a given amoeba \mathcal{A}(f). We show that this problem can be traced back to a semidefinite optimization problem (SDP), basically via usage of the Real Nullstellensatz. This SDP can be implemented and solved with standard software (we use SOSTools and SeDuMi here). As main theoretic result we show that, from the complexity point of view, our approach is at least as good as Purbhoo's approximation process (which is state of the art).
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Generation and analysis of mouse lines with a defect in platelet secretion and application in mouse models of atherosclerosis and tumor metastasis
(2012)
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Dagmar Schumacher
- Introduction: The involvement of platelets in various diseases has been increasingly recognized in the recent decades. This contribution is believed to involve platelet secretion and formation of reactive microparticles. Platelets contain two functionally important forms of vesicles, alpha and dense granules, which are secreted upon activation of platelets. Alpha granules incorporate larger molecules such as adhesive proteins, e.g. P-selectin, vWF and fibrinogen; chemokines like PF4 and RANTES and growth hormones like VEGF and PDGF are among the most important proteins attributed to the involvement of platelets in pathological conditions. In contrast, dense granules contain small molecules like ADP, ATP, serotonin and histamine, and they are more rapidly and completely secreted than alpha granules. Like in all secreting cells, regulated exocytosis in platelets is mediated by “zippering” of three different classes of SNARE proteins. The subtypes of these proteins found to be involved in platelet secretion are SNAP-23, syntaxin-2 and -4 and VAMP-3 and -8. Apart from SNARE proteins, other conserved proteins influencing exocytosis by e.g. acting on SNARE proteins have been described, one of the most important ones being Munc13. Platelets contribute to the progression of atherosclerosis by local deposition of inflammatory mediators like PF4, RANTES and CD40L, which leads to enhanced leukocyte recruitment and plaque formation. In 1865, Armand Trousseau first described the correlation between cancer and thrombotic events. Since the 1960s, an increasing number of studies have found an involvement of platelets also in the progression of cancer, especially in the formation of metastases. Platelets bind to circulating tumor cells and may shield them from NK cell attacks and shear stress. Platelets may also facilitate the interaction of tumor cells with other cell types and the vessel wall. Lastly, they may secrete molecules that influence the tumor cell phenotype and invasiveness.
Aims of this study: We sought to generate and describe genetically modified mouse lines with defective platelet secretion and to employ these mouse lines in murine models of atherosclerosis and tumor progression to study the role of platelet secretion under pathological in vivo conditions.
Results: Clostridial toxins cleave members of the SNARE protein family and can thus completely block exocytosis of neuronal and other cells. We generated three transgenic mouse lines expressing tetanus, botulinum-E or -C light chains and two transgenic mouse lines with dominant-negative mutations of SNAP-23 under the control of the platelet-specific PF4 promotor. None of these constructs was able to interfere with platelet secretion despite expression of the transgene. A functional null mutant of the only Munc13 isoform expressed in platelets, Munc13-4, showed complete lack of dense granule secretion, measured by ATP release, while alpha granule release as determined by PF4 and vWF secretion, was unaltered. Morphology, composition and adhesion of these platelets were also normal. Aggregation in response to U46619 and collagen and formation of large aggregates in flow chamber assays was attenuated. Munc13-4-deficient mice showed a severe defect in bleeding time and no formation of stable aggregates in FeCl3 thrombosis model. In response to B16 melanoma and LLC1 carcinoma cells, Munc13-4 KO platelets also showed complete abrogation of dense granule secretion, whereas alpha granule secretion and binding of platelets to tumor cells was unchanged. Interestingly, wild-type platelets, but not Munc13-4 KO platelets, enhanced transmigration of B16 and LLC1 cells through an endothelial cell layer. Exogenous ATP was able to mimic the effect of wild-type platelets and the ATP-degrading enzyme apyrase blocked platelet-mediated tumor cell transmigration. Platelets incubated with tumor cells secreted large amounts of ATP. Murine endothelial cells showed perturbed adherens junctions identified by irregular VE-cadherin staining and gap formation when incubated with supernatants from tumor cell-activated platelets as well as increased permeability under the same conditions. Addition of apyrase preserved normal endothelial morphology and function. In vivo, primary tumor growth and weight was comparable in wild-type and Munc13-4 KO mice upon B16 or LLC1 flank injection but formation of lung metastases was strongly reduced. Number, but not size of metastases was also reduced upon i.v. injection of B16 and LLC1 cells. We found P2Y2 and P2X4 receptors to be the most abundantly expressed endothelial metabotropic and ionotropic ATP receptors, respectively. Neither knock-down nor inhibition of P2X4 in endothelial cells influenced platelet-mediated transendothelial migration of B16 cells, but knock-down of P2Y2, for which no specific antagonist is available, strongly reduced plateletdependent tumor cell transmigration. When B16 melanoma cells were injected i.v. shortly after FITC-dextran (70 kDa) into wild-type mice, prominent leakage of FITC-dextran was observed three hours post-injection at extraluminal sites in the lung. In contrast, leakage into the lung parenchyma was at basal levels in Munc13-4 KO and P2Y2 KO mice after B16 cell injection. Marginal vascular leakage in Munc13-4 KO mice lacking platelet ATP secretion and in P2Y2 KO mice lacking the main endothelial ATP receptor correlated with strongly reduced extravasation of CFSE-labeled B16 melanoma cells 6 hours post-injection in these mice. Consistently, P2Y2 KO mice showed strongly reduced formation of metastases in the lung after i.v. injection of B16 or LLC1 tumor cells. Bone marrow-transplanted LDLR KO mice reconstituted with Munc13-4-deficient or wildtype bone marrow and subjected to 16 weeks of high fat diet showed no significant difference in atherosclerotic plaque formation in the aorta.
Discussion: We hereby provide a thorough analysis of a mouse line with an exclusive defect in platelet dense granule secretion, thus representing a unique genetic tool to study the role of dense granule secretion in various contexts without interfering with other platelet functions. We also provide evidence how extravasation of circulating tumor cells is facilitated by tumor cell-induced ATP release from platelets. This ATP release destabilizes endothelial barriers and facilitates tumor cell extravasation and formation of metastases in the target organ. Since metastasis is the leading cause of cancer death, pharmacological interference with endothelial P2Y2 receptor function may represent a promising therapeutic strategy.
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Untersuchungen zur Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für die Alterung von Podospora anserina
(2012)
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Sandra Zintel
- Im Rahmen dieser vorliegenden Doktorarbeit sollte die Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für das Resistenzverhalten und den Alterungsprozess bei P. anserina untersucht werden. Folgende Befunde aus den Analysen konnten erhalten werden:
1. Lokalisationsstudien der drei PaSods
Aus den biochemischen und fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der drei verschiedenen PaSODs geht hervor, dass PaSOD1, eine Cu/ZnSOD, überwiegend im Cytosol und zu einem geringen Anteil im mitochondrialen Intermembranraum lokalisiert ist. Eine der beiden MnSODs, PaSOD2, wird vermutlich zur Abwehr von exogenem Superoxid sekretiert. Bei PaSOD3 handelt es sich um eine mitochondriale MnSOD.
2. Generierung von verschiedenen PaSod-Mutanten
Im Rahmen dieser Arbeit wurden von jeder PaSod mindestens drei unabhängige Überexpressionsstämme, ein GFP-Stamm- und ein Deletionsstamm hergestellt. Weiterhin wurden alle möglichen Doppel-Deletionsstämme und die Dreifach-Deletionsmutante erzeugt. Alle Stämme wurden auf DNA-Ebene verifiziert, zusätzlich wurde die Proteinmenge bzw. –Aktivität überprüft.
3. Einfluss der PaSODs auf die ROS-Toleranz
Die Analysen der ROS-Resistenzen haben gezeigt, dass PaSODs eine wichtige Rolle in der Entgiftung von Superoxiden spielt. So ließ sich bei den Deletionsstämmen der PaSods eine gesteigerte Sensitivität gegenüber Paraquat feststellen. Eine Aufsummierung der Sensitivität gegenüber Paraquat ist bei der PaSod-Tripelmutante (ΔPaSod1/2/3) zu erkennen.
Überraschenderweise kann durch die gesteigerten Mengen an aktiver PaSOD in den Überexpressionsstämmen (PaSod1-3_OEx) keine verbesserte Resistenz gegenüber Paraquat erzielt werden. Darüber hinaus führt die Überexpression des Gens für die mitochondriale SOD, PaSOD3, zu massiven negativen Effekten.
4. Einfluss auf die Lebensspanne
Durch eine fehlende Entgiftung von Superoxid in den PaSod-Deletionsmutanten ist eine Verminderung der Lebensspanne nicht festzustellen. Bei PaSod-Mutantenstämme, die eine erhöhte PaSOD-Aktivität und damit eine gesteigerte Abbaurate des Superoxids aufweisen, kann bei den PaSod1- und PaSod2-Überexpressionsstämmen keine verbesserte Lebensspanne unter den gewählten Standardbedingungen erzielt werden. Vielmehr noch ist die Lebensspanne der PaSod3-Überexpressionsstämme stark reduziert.
5. Einfluss der PaSod-Modulation auf andere Komponenten des ROS-Abbausystems
Die PaSOD-Aktivitäten scheinen miteinander co-reguliert zu werden. Des Weiteren scheint es ein Zusammenhang zwischen den beiden sekretierten Enzymen PaSOD2 und PaCATB zu geben. Deutlich wird auch, dass die Modulation der Superoxid-Dismutasen eine weitreichende Auswirkung auf andere Schutzsysteme hat. Beispielweise konnte gezeigt werden, dass Komponenten des mitochondrialen ROS-Schutzsystems und der Protein-Qualitätskontrolle in den PaSod3-Überexpressionsstämmen verändert sind.
Zusammenfassend lassen die Analysen der PaSod-modulierten Stämme den Schluss zu, dass die Superoxid-Dismutase in P. anserina ein wichtiges Enzym zum Abbau des schädlichen Superoxids darstellt, welches aber nur eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle der Lebensspanne unter den gewählten Wachstumsbedingungen im Labor ausübt. Des Weiteren haben die Analysen gezeigt, dass es durch die Modulation der PaSod-Gene zu weitreichenden Änderungen, die das ROS-Schutzsystem (PaSOD, PaCATB und PaPRX1) sowie die Protein-Qualitätskontrolle (PaHSP60, PaLON und PaCLPP) betreffen, kommt. Welche Auswirkung dabei diese Veränderungen in Bezug auf die Lebensspanne hat, kann nur schwer abgeschätzt werden und muss mit weiteren Untersuchungen geklärt werden.
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Grundlagen zum potentiellen therapeutischen Einsatz humaner natürlicher Killer-Zellen und spezifischer T-Zellen zur Bekämpfung invasiver Mykosen bei Patienten nach allogener Stammzelltransplantation
(2012)
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Stanislaw Schmidt
- Nach allogenen Stammzelltransplantation und der damit einhergehenden lang andauernden Immuninkompetenz bzw. Immunsuppression sind die betroffenen Patienten stark für lebensgefährliche invasive Pilzinfektionen empfänglich. Trotz der derzeit verfügbaren antimykotischen Medikamente liegt die mit diesen Infektionen assoziierte Mortalität je nach Literatur bei 90 %. Aus diesem Grund rücken zelltherapeutische Behandlungen, die die Immunität der Patienten mit Pilzinfektionen verbessern und so die Sterblichkeit verringern könnten, immer mehr in den Fokus der Forschung auf diesem Gebiet. Leider ist die Interaktion von humanen Natürlichen Killer Zellen mit den wichtigen Verursachern invasiver Mykosen A. fumigatus und R. oryzae bisher nicht untersucht. Die Wichtigkeit von TH-Zellen in der Pilzabwehr wird zunehmend erkannt. Daher wurde bereits versucht die Prognose von Patienten mit invasiven Aspergillosen nach SZT durch den Transfer von Spender-Aspergillus-spezifischen T-Zellen zu verbessern. Die Generierung anti-R. oryzae T-Zellen sowie die Charakterisierung dieser Zellen ist bisher nicht durchgeführt worden.
Deshalb sollte im ersten Teil dieser Arbeit sollte die antifungale Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber A. fumigatus sowie R. oryzae untersucht und charakterisiert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte die Generierung von spezifischen T-Zellen gegen R. oryzae aus Zellen des peripheren Blutes gesunder Individuen durchgeführt werden und die generierten Zellen im Hinblick auf ihre Funktionalität, Sicherheit und Wirkspektrum in vitro charakterisiert werden.
In der vorliegenden Arbeit konnte die direkte antimykotische Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber Hyphen von A. fumigatus und R. oryzae gezeigt werden und ein Mechanismus dieser Aktivität identifiziert werden. So induzierte der Kontakt von IL-2 stimulierten NK-Zellen mit Pilzhyphen die Degranulierung der NK-Zellen und die Ausschüttung von Perforin, welches zumindest partiell, die antimykotische Aktivität humaner NK-Zellen gegenüber A. fumigatus und R. oryzae Hyphen vermittelte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen allerdings auch, dass der therapeutische Nutzen adoptiv transferierter NK-Zellen durch einige Faktoren begrenzt werden könnte. Einerseits hatten NK-Zellen keinen zytotoxischen Effekt auf Konidien beider getesteten Pilze, andererseits deutet die beobachtete Immunsuppression darauf hin, dass ein stimulierender Effekt durch die transferierten NK-Zellen auf andere Zellen des Immunsystems durch die Hyphen der beiden Pilze inhibiert werden könnte.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich T-Zellen gegen R. oryzae in allen getesteten gesunden Individuen nachweisen lassen und diese isoliert und kultiviert werden können. Das deutet darauf hin, dass hinsichtlich anti-R. oryzae T-Zellen keine Restriktionen bei der Spenderauswahl zu erwarten sind. Die hergestellten Zellen konnten anhand der Expression ihrer Oberflächenantigene sowie des Profils der ausgeschütteten Zytokine dem TH1-Typ zugeordnet werden, welcher mit der protektive Immunantwort bei Pilzinfektionen assoziiert wird. Nach spezifischer Stimulation produzierten die generierten anti-R. oryzae T-Zellen die bei der Bekämpfung von Pilzinfektionen eine wichtige Rolle spielenden pro-inflammatorischen Zytokine IFN-γ und TNF-α und erhöhten die Aktivität der für die Abwehr von Pilzen wichtigen Granulozyten und Monozyten in vitro.
Zwar zeigten die generierten T-Zellen bei Kontakt mit allogenen APZ eine geringe Proliferationsantwort, diese war jedoch mit der nach Stimulation mit autologen, unbeladenen APZ gesehenen Proliferation vergleichbar. Diese Ergebnisse zeigen, dass die generierten anti-R. oryzae T-Zellen zumindest in vitro ein deutlich geringeres alloreaktives Potential als unselektionierte T-Zellen haben. Entsprechende Resultate zeigten sich auch bei Betrachtung der IFN-γ Sekretion der generierten anti-R.oryzae
T-Zellen. Die Stimulation mit Fremdspender-APZ beeinflusste die Sekretion von IFN-γ durch die anti-R. oryzae T-Zellen im Vergleich zu der IFN-γ-Sekretion durch anti-R. oryzae T-Zellen, mit autologen, unbeladenen APZ stimulierten wurden, kaum.
Des Weiteren wiesen die hergestellten anti-R. oryzae T-Zellen zahlreiche Kreuzreaktivitäten gegenüber anderen Pilzspezies, auch Genera übergreifend, auf. So zeigten sie Kreuzreaktivität gegenüber klinisch bedeutenden Pilzen wie Rhizopus microsporus, Mucor circinelloides, Rhizomucor pusillus, Aspergillus fumigatus, Aspergillus niger, Candida albicans und Candida glabrata, die alle als Erreger invasiver Mykosen bei immunsupprimierten Patienten bekannt sind. Die Stimulation mit Antigenen dieser Pilze mittels Antigenpräsentierenden Zellen führte zur einen deutlichen IFN-γ-Produktion durch die generierten Zellen.
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Validierung einer neuen Messmethode zur direkten Bestimmung der Heparin-Konzentration im Blut
(2012)
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Stephanie Haselbach
- In dieser Arbeit wurde ein neues Verfahren zur Heparin-Bestimmung (LiSA-H, light scattering assay of heparin) evaluiert. Dieses wurde an der Universität Frankfurt a. M. am Institut für Biophysik entwickelt und ermittelt erstmals die direkte Heparin-Konzentration im Blutplasma. Durch die Analyse der Lichtstreuung einer Plasmaprobe wird die Bildung von Nanopartikeln aus Heparin und Protamin verfolgt. Die Lichtstreuintensität ist dabei proportional zu der in der Probe enthaltenen Heparin-Plasmakonzentration (Heparin-PK). Das Antikoagulans Heparin wird bei Herz-OPs mit Einsatz der Herz-Lungen-Maschine (HLM) verwendet und soll perioperativ eine lutgerinnselbildung in der HLM, sowie Thromboembolien im Patienten verhindern. Am OP-Ende wird die Wirkung durch Protamin antagonisiert, um eine suffiziente Gerinnung wieder herzustellen. Das derzeitige Gerinnungsmanagement basiert auf einem indirekten Messverfahren, der ACT (activated clotting time), welches starken Störeinflüssen, wie z.B. der Hypothermie, Hämodilution und bestimmten Medikamenten unterliegt. Durch die mögliche Falschdosierung der beiden Medikamente, steigt die Gefahr einer Blutung und Thrombose. LiSA-H soll in Zukunft eine zuverlässigere und kostengünstige „point of care― Analyse der Gerinnung und hierdurch eine gezielte Dosierung von Heparin und Protamin ermöglichen, die die Komplikationsrate verringert. In der vorliegenden Studie handelt es sich um eine offene, nicht kontrollierte, prospektive Multicenter-Studie, die mit 50 Patienten am Universitätsklinikum Frankfurt a.M. und 30 Patienten am Kinderherzzentrum Gießen durchgeführt wurde. Es wurde gezeigt, dass die durchschnittliche perioperative Heparin-PK bei Erwachsenen und Kindern bei ca. 5,4 I.E./ml liegt. Es wurde nachgewiesen, dass die Heparin-Clearance bei Kindern (~113 Min.) um das zweifache im Vergleich zu Erwachsenen (~254 Min.), erhöht ist. Besonders hervorzuheben ist die hohe Fehlerquote der ACT-Messung, die bei Erwachsenen in bis zu 1,8 % und bei Kindern in bis zu 20 % der Messungen keinen aussagekräftigen Wert lieferte. Das bedeutet, dass bei Kindern während einer OP bis zu zwei und bei Erwachsenen bis zu drei Stunden keine Information über den aktuellen Gerinnungszustand vorlag. Um eine Validierung der Messergebnisse vorzunehmen, wurden Rückstellproben mit dem Standardlaborverfahren PiCT (Prothrombinase induced clotting time) gemessen. Die Daten aus dem PiCT korrelieren mit den Ergebnissen aus der LiSA-H-Messung wesentlich besser (r² = 0,80), als mit der herkömmlichen ACT-Messmethode (r² = 0,57). Die ermittelten Heparin-PK und die ACT-Werte während einer OP wurden in Chronogrammen dargestellt. Es wurde gezeigt, dass in 30 % der OPs bei Erwachsenen und in 60 % bei Kindern die Messdaten aus der ACT und LiSA-H nur unzureichend synchron bei Nachdosierung mit Heparin anstiegen oder entsprechend der Heparin-Clearance im OP-Verlauf abfielen. Dies zeigte sich besonders kritisch während langandauernder, komplikationsreicher OPs, die einen erhöhten Blutverlust oder sogar Rethorakotomien nach sich zogen, in denen der ACT-Wert eine suffiziente Gerinnung nahe legte, die LiSA-HMessung aber eine noch hohe Heparin-PK nachwies. Erfahrungen aus den klinischen Studien zeigten, dass die Kombination aus der Messung der Heparin-PK und einer Gerinnungsanalyse bei einem ATIII-Mangel von Vorteil ist. Erst die Kombination aus einerseits mehrfach niedrig gemessener ACT-Werte, trotz ggf. Nachdosierungen von Heparin und andererseits ausreichend gemessener Heparin-PK im LiSA-H, kann einen ATIII-Mangelzustand aufdecken. Dadurch können Nach- bzw. Überdosierungen vermieden und damit die Wahrscheinlichkeit für postoperative Komplikationen verringert werden. Der wichtigste Einflussfaktor auf die LiSA-H-Messung ist die Hämodilution, die durch Einbeziehung des Patienten-Blutvolumens (z.B. mit der Nadler-Formel) durch mathematische Korrektur berücksichtigt werden kann. Patientenindividuelle Reaktionen auf gleiche Heparin- und Protamin-Dosierungen sowie eine patientenspezifische Heparin-Clearance zeigten in diesen Studien auf, dass das derzeitige Antikoagulationsmanagement mit den Dosierungsempfehlungen (Körpergewichtsbezogene Dosierung, 1:1 Dosierung von Protamin zur initialen Heparin-Dosis oder der summierten Heparin-Dosis, „pauschale― Nachdosierungen von 5.000 oder 10.000 I.E. Heparin bei ACT < 480) für eine optimale Dosierung der Medikamente unzureichend ist. In Outcome-Studien soll mit der LiSA-H-Messung Dosierungsempfehlungen von Heparin und Protamin ausgearbeitet werden. Außerhalb der Herz-Thorax-Chirurgie eröffnen sich weitere Möglichkeiten, wie z.B. in Dialysezentren und in der Neurochirurgie, für die bereits Studien geplant sind.
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Essays on banking and financial markets
(2012)
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Björn Hilberg
- In this thesis the behavior of banks in financial markets which banks frequently use to obtain short-term as well as long-term financing is studied. In the first chapter we incorporate an interbank market for collateralized lending among banks into a dynamic, stochastic, general equilibrium (DSGE) framework to analyze the impact of variations in the expected value of the collateral on the interbank lending volume. We find that a central bank which decides to lower the haircut on eligible collateral in repurchase agreements is able to stimulate interbank markets. In the second chapter a microeconomic model of bank behavior on the interbank market is set up to analyze the impact of risk-taking behavior of interbank borrowing banks and uncertainty about their balance sheet quality on the lending behavior of interbank lending banks. It is found that the disruptions on the interbank market are the result of optimal behavior on the part of interbank lending banks in response to the uncertainty about the balance sheet quality of an interbank borrowing bank. In the third chapter we use monthly data on German bank bond spreads and regress it on bank-specific risk factors to assess the degree of market discipline in the German bank bond market. The regression results for the whole German bank bond market indicate that the bond spread does not show signs of market discipline. However, a structural break analysis uncovers that since the beginning of the financial crisis the German bank bond market exhibits at least a weak form of market discipline for bonds issued by medium-size and large banks.
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Theoretische und experimentelle Untersuchungen zu Wechselwirkungen organischer Spurenstoffe mit Eis und Bestimmung der Kristallstrukturen organischer Spurenstoffe mittels Röntgenpulverdiffraktometrie
(2012)
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Sonja Hammer
- Die Wechselwirkungen von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) mit Eis in der Atmosphäre sind für viele umweltrelevante Aspekte von Interesse, dennoch gibt es bisher erst wenige Untersuchungen zu dieser Thematik.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Wechselwirkungen verschiedener VOCs mit Eis durch Kraftfeldrechnungen simuliert. Als Substanzen wurden das Keton Aceton, die Kohlenwasserstoffe Isopren und Mesitylen, die Alkohole Ethanol, tert-Butanol, 2-Methyl-3-buten-2-ol (MBO) und Perillylalkohol, die Ether Methyl-tert-butylether und Ethyl-tert-butylether (ETBE) sowie die Aldehyde Nonanal und Methacrolein ausgewählt.
Hierbei wurden sowohl die Adsorption an verschiedenen Oberflächen von hexagonalen Eis (Eis Ih) und von kubischem Eis (Eis Ic) als auch die Absorption in Eiskristallen und an den darin enthaltenen Linien- und Flächendefekten betrachtet. Für jedes VOC wurden die resultierenden Strukturen sowie die dazu gehörigen Enthalpien ermittelt und mittels Boltzmann-Statistik ausgewertet.
Für die Berechnung der Wechselwirkungen von VOC mit Eis wurde ein Kraftfeld entwickelt, das sowohl die Strukturen von Eis Ih und Eis Ic als auch die Strukturen der organischen Moleküle und ebenso die Wechselwirkungen zwischen Eis und organischem Molekül gut wiedergibt. Es basiert auf dem für organische Moleküle verwendeten DREIDING-Kraftfeld und wurde modifiziert mit Parametern für Wasser aus dem TIP5P-E-Kraftfeld. Das Kraftfeld wurde an Ab-initio-Rechnungen und experimentellen Daten validiert.
Die Simulationen erbrachten folgende Ergebnisse:
– Unpolare Kohlenwasserstoffe werden nur in geringem Maße an den Eisoberflächen adsorbiert; eine Absorption in die Eiskristalle ist energetisch noch wesentlich ungünstiger. Für diese Verbindungen ist der Austrag aus der Atmosphäre durch Wechselwirkungen mit der Eisphase daher nicht relevant.
– Sauerstoffhaltige Verbindungen werden an der Eisoberfläche gut adsorbiert. Zwischen dem VOC-Molekül und der Eisoberfläche bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen aus. Ihre Anzahl ist abhängig von der Art des Moleküls (Keton, Aldehyd, Ether oder Alkohol). Die Simulationen zeigen, dass die nasse Deposition durch Wechselwirkungen mit der Eisphase für diese Stoffe ein Austragsweg aus der Atmosphäre ist, der nicht vernachlässigt werden darf.
– Bei einem Einbau von VOC-Molekülen in den Eiskristall wird die Eisstruktur teilweise erheblich verzerrt. Je kleiner die VOC-Moleküle sind, desto geeigneter sind sie für einen Einbau in den Eiskristall; bei größeren Molekülen ist der Einbau aufgrund des sterischen Anspruchs behindert. Zunehmende Größe des Moleküls begünstigt andererseits die Adsorption.
Parallel zu den theoretischen Untersuchungen wurde eine Apparatur entwickelt, mit der sich die Ad- und die Absorption von VOCs beim Wachsen der Eiskristalle experimentell untersuchen lässt. Die Eiskristalle entstehen dabei unter kontrollierten Bedingungen und wachsen, wie in der Atmosphäre, durch Anlagerung von Wasserdampf. Gleichzeitig wird dem Wasserdampf eine definierte Menge an VOC zugegeben. Das entstehende Eis wurde mittels GC analysiert. Als alternatives Analyseverfahren zur Bestimmung von VOCs in Wasser wurde ein NMR-Verfahren entwickelt, das quantitative Messungen im dreistelligen ppm-Bereich erlaubt. Erste Untersuchungen an Eiskristallen, die in Gegenwart von ETBE erzeugt wurden, zeigten, dass dieses VOC − wie auch in den Simulationen vorhergesagt − überwiegend an der Oberfläche von Eis adsorbiert, und nicht in den Eiskristall eingebaut wird.
Für ETBE wurde im Rahmen dieser Arbeit zusätzlich die Kristallstruktur der alpha-Phase aus Röntgenpulverdaten durch Kristallstrukturvorhersage und Realraummethoden bestimmt. ETBE kristallisiert in der für organische Verbindungen sehr seltenen Raumgruppe C 2/m. Die experimentelle Kristallstruktur entspricht der von der Dichte her günstigsten, von der Gitterenergie her zweitgünstigsten vorhergesagten Kristallstruktur. Die Kristallstruktur eines zweiten VOCs, MBO, konnte ebenfalls aus Röntgenpulverdaten bestimmt werden, obwohl die Kristallstruktur drei symmetrieunabhängige Moleküle pro asymmetrischer Einheit enthält. Da sowohl ETBE als auch MBO bei Raumtemperatur flüssig sind, wurden beide für die Messungen bei tiefer Temperatur kristallisiert.
Die Kristallstrukturen dieser beiden VOCs können wiederum zur Simulation von sekundären organischen Aerosolen in der Atmosphäre genutzt werden.
Auch die Kristallstrukturen zweier weiterer Verbindungen konnten aus Röntgenpulverdaten bestimmt werden: zum einen die Strukturen des Trihydrates, des Monohydrates und des Anhydrates von Pigment Red 57:1 (C18H12CaN2O6S), dem wichtigsten industriellen Rotpigment, mit dem weltweit die Mehrheit aller Zeitungen und Zeitschriften gedruckt werden, zum anderen die Struktur des 2-Butanol-Hemisolvats von Methyl-(2R,3R)-2-{3-[amino(imino)methyl]benzyl}-3-{[4-(1-oxido-4-pyridinyl)benzoyl]¬amino}butanoat-hydrochlorid. Mit diesen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass Kristallstrukturen organischer Verbindungen aus Röntgenpulverdaten auch dann bestimmt werden können, wenn verschiedene Probleme kombiniert auftreten, z. B. schlecht kristalline Pulver, Textur, Solvate, Hydrate, Fehlordnung, funktionelle Gruppen mit vergleichbarer Streukraft, mehrere symmetrieunabhängige Moleküle, hohe Anzahl von Parametern bei der Strukturlösung etc.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass die Wechselwirkungen zwischen sauerstoffhaltigen VOC-Molekülen und der Eisphase nicht vernachlässigt werden dürfen. Sie sollten in Simulationen der Atmosphäre berücksichtigt werden, um so Aussagen über Auswirkungen auf das Klima und andere umweltrelevante Aspekte zu verbessern.
