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Elektrophysiologische Untersuchungen zur funktionellen Bedeutung der N-Glykosilierung des GABA-Transportproteins besonders in Bezug auf die Kinetik der Natrium-Transporter-Interaktion (2003)

Petrus Stephan Salonikidis

Die hier vorgelegte Arbeit hatte zur Aufgabe, funktionellen Einflüsse auf den Neurotransmittertransporter GAT-1 zu erhellen, welche durch eine N-Glykosilierung des Transportproteins hervorgerufen werden. Frühere Untersuchungen deuteten bereits darauf hin, daß der Glykosilierung der drei extrazellulär vorhandenen N-Glykosilierungsstellen des GAT- 1 neben einer expressionellen Bedeutung auch eine funktionelle zukam. So zeigten sich bei Arbeiten anderer Gruppen, welche N-Glykosilierungsmutanten des GAT-1 verwendeten, um die Glykosilierung des Transportproteins zu beeinträchtigen, daß fehlende Oligosaccharide an den N-Glykosilierungsstellen des GAT-1 durchaus in eine Reduktion der GABA-Aufnahme in die Zellen mündete, was zumindest bei Oozyten des Xenopus laevis auf eine verminderte Transportrate zurückgeführt werden konnte. An CHO-Zellen konnte nun auf gleiche Weise eine Reduktion der GABA-Aufnahme beobachtet werden, und es galt, mit elektrophysiologischen Methoden die Ursachen dieser Reduktion zu erkunden. Die hier vorgelegte Arbeit vermochte nun bei CHO-Zellen, eine Verminderung der Transportrate als Ursache jener reduzierten GABA-Aufnahme auszumachen. Zu diesem Zwecke wurden die CHO-Zellen entweder mit der DNA des mGAT1 Wild-Typs (einem aus der Maus klonierten GAT-1-Transporter) oder mit der DNA von N-Glykosilierungsmutanten des mGAT1 transfiziert. Es fanden zwei verschiedene N-Glykosilierungsmutanten Verwendung, an denen jeweils zwei der drei N-Glykosilierungsstellen Asparagin durch Aspartat bzw. Glycin ersetzt wurden: (Asp176, Gly181, Asn184) bzw. DDN (Asp176, Asp181, Asn184). Wie indes die durch eine beeinträchtigte N-Glykosilierung verminderte Transportrate zustande kam, und wie sich eine entsprechende Erklärung in die bisherige Annahme den GAT-1 Reaktionszyklus betreffend einfügen und mit dessen Struktur verbinden ließe, vermochte die hier vorgelegte Arbeit zu einem großen Teil einsichtig zu machen. Zwei Phänomene konnten die Transportrate vermindern: Zunächst waren die Zeitkonstanten transienter Ströme, welche bei Abwesenheit von GABA auftreten, verlangsamt. Weil diese Ströme den ratenlimitierenden Schritt im Reaktionszyklus zu repräsentieren scheinen, mußte also jener Schritt, welcher die Okklusion des ersten Natriums oder die darauffolgende Konformationsänderung beinhaltet, verlangsamt sein. Im weiteren zeigten Analysen der bei den transienten Strömen auftretenden Ladungsverschiebungen, daß die Natrium-Transporter-Interaktion auf extrazellulärer Seite durch das Fehlen von Oligosacchariden an den N-Glykosilierungsstellen des GAT-1 beeinträchtigt war, wobei als Grund hierfür eine Verstärkung der dimensionalen bzw. elektrogenen Schranke zu sehen ist, welche sich vor der Natriumbindungsstelle des GAT-1 befindet. Eine Veränderung der Expressionsrate als tragende Ursache verminderter Transportraten bzw. reduzierter GABA-Aufnahmen konnte hingegen ausgeschlossen werden. Experimente mit dem N-Glykosilierungs-Inhibitor dMM sowie Vergleiche von Experimenten verschiedener Mutanten vermochten die oben beschriebenen Effekte hauptsächlich auf die durch die Mutationen fehlenden Oligosaccharide zurückzuführen und weniger auf andere durch die Mutation hervorgerufene strukturelle Änderungen des GAT-1-Proteins.

Eine integrierte RFQ-Driftröhrenkombination für ein Medizin-Synchrotron (2003)

Alexander Bechtold

Die vorliegende Arbeit stellt Design, Aufbau und erste experimentelle Testergebnisse einer integrierten RFQ-Driftröhrenkombination für den Einsatz im Injektorbereich einer klinischen Synchrotronanlage zur Behandlung von Tumorerkrankungen mit Ionenstrahlen vor. Das Hauptziel der Bemühungen war, eine sehr kompakte und auf die gestellten Aufgaben hoch spezialisierte Lösung zu finden, die den täglichen Anforderungen im Klinikbetrieb gerecht wird. Zuverlässigkeit, einfache Bedienbarkeit und möglichst geringe Betriebskosten standen dabei im Vordergrund und führten letztlich zu einer nur 1,40 m langen Kombination der beiden Beschleunigerkomponenten, die üblicher Weise in zwei getrennten Kavitäten mit separater Leistungsversorgung, separater Steuerung und mit deutlich mehr Platzbedarf untergebracht sind. Im Zuge der Designarbeiten wurde insbesondere das Programm PARMPRO den hier aufgetretenen aktuellen Problemstellungen angepasst. Die Berechnung der Wechselwirkung von Ionen bei raumladungsdominierten Teilchenstrahlen wurde korrigiert, das Programm um ein Transportelement zu Transformation geladener Teilchen durch eine frei wählbare Potentialverteilung erweitert und mit einem neu entwickelten Programmteil wurden die zur Fertigung notwendigen Daten generiert. Die Optimierung der Strukturparameter mit Hilfe einer externen Visual-Basic-Anwendung zum automatischen Optimieren der Strukturdaten mit Hilfe von PARMPRO war ein Schritt auf dem Wege zum endgültigen, an die Eingangsstrahldaten und an die Erfordernisse der darauffolgenden IH-Struktur angepassten Elektrodendesign. Nach den Simulationsrechnungen erfolgten Referenzmessungen an entsprechenden Modellaufbauten insbesondere mit einem computergesteuerten Störkörpermessstand, zur experimentellen Bestimmung der Spannungsverhältnisse an der jeweils zu untersuchenden Strukturvariante. Auf diesen Ergebnissen basiert das endgültig entwickelte Resonatorkonzept der RFQ-Driftröhrenkombination. Das Kapitel "Aufbau des Medizin-RFQs" behandelt die Konstruktion und die technische Umsetzung des erarbeiteten Beschleunigerkonzepts. Einzelnen Beschleunigerkomponenten wie Tank, Elektroden, Resonatorstruktur, Bunchereinheit und deren Fertigungsprozesse werden vorgestellt, Arbeitsschritte wie das Verkupfern des Tanks in der Galvanik der GSI oder das Verfahren zum Versilbern von Kontaktteilen im hauseigenen Labor werden beschrieben. Es folgt eine Diskussion des Justierkonzepts und der Maßnahmen zur Einhaltung der erforderlichen Genauigkeiten von ca. 20 mm, um die berechnete Strahlqualität zu gewährleisen. Abschließend werden die Ergebnisse erster HF-Testmessungen auf Messsenderniveau beschrieben. Hier wurden zunächst experimentell grundlegende Resonatoreigenschaften wie etwa Resonanzfrequenz, Güte und Parallelersatzwiderstand bestimmt. Danach wurde ein spezielles Störkörpermessverfahren angewandt, um den über die Montagehöhe der Driftröhre einstellbaren Spannungsbereich der Bunchereinheit zu erfassen, da die geometrischen Verhältnisse einen computergesteuerten Messstand wie er zur Untersuchung der Modellaufbauten herangezogen wurde nicht zuließen. Abschließend erfolgte ein Abstimmen der Spannungsverteilung entlang der RFQ-Elektroden. Diese experimentellen Ergebnisse belegen eindrucksvoll die Funktionsfähigkeit der RFQ-Driftröhrenkombination, so ist insbesondere die erforderliche Buncherspannung auf einer mittleren Montagehöhe der spannungsführenden Driftröhre zu erreichen, die durch die zusätzlich Driftröhrenkapazität hervorgerufene Verzerrung der Spannungsverteilung auf den Elektroden lässt sich über die höhenverschiebbaren Kurzschlussplatten gut korrigieren. Das erarbeitete Gesamtkonzept dieser neuartigen, sehr kompakten RFQ-Driftröhrenkombination ist auch für andere Anwendungsbereiche sehr attraktiv, so dass bereits ein Patent darauf angemeldet wurde. Damit ist das Ziel, eine RFQ-Driftröhrenkombination für die medizinische Beschleunigeranlage in Heidelberg aufzubauen erreicht. Strahltests und die experimentelle Bestimmung der Phasen- und Energiebreite des Ionenstrahls sind als nächstes vorgesehen.

Erzeugung intensiver Pulse im Terahertzfrequenzbereich mittels laser-generieter Plasmen (2003)

Torsten Löffler

Neutrophil-induzierter Reperfusionsschaden in isoliert-perfundierten Rattenherzen nach Langendorff : Einfluss des endothelialen Stickstoffmonoxidsynthase-Transkriptionsverstärkers S803 (2003)

Karen V. Menning

Die Wiederherstellung der Perfusion eines ischämischen Areals, auch Reperfusion genannt, ist vorrangiges Therapieziel bei Herzinfarktpatienten. Durch Thrombolyse oder Ballondilatation eines verschlossenen Koronargefäßes erzielt, kann sie jedoch selbst zum Organschaden beitragen. Dieser so genannte Reperfusionsschaden manifestiert sich je nach vorangegangener Ischämiedauer in funktionellen oder in strukturellen Schäden. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass während der Reperfusion auftretende Entzündungsreaktionen maßgeblich zu einem myokardialen Reperfusionsschaden beitragen. Diese können durch polymorphkernige Neutrophile (PMNs) hervorgerufen werden. Das erste Ziel dieser Arbeit war es, ein Tiermodell zu etablieren, das die präklinische Prüfung von neuen Therapieansätzen erlaubt, die einen PMN-induzierten Reperfusionsschaden pharmakologisch verhindern. In einem Modell des isoliert-perfundierten Rattenherzens nach Langendorff wurde durch die externe Applikation von humanen PMNs eine mögliche Beteiligung dieser Zellen an der Entstehung eines Reperfusionsschadens nach globaler no-flow-Ischämie untersucht. Hierbei wurden unterschiedliche myokardiale Funktionsparameter, das Ausmaß der Zellschädigung und die myokardiale Konzentration der proinflammatorischen Zytokine Interleukin-1ß (Il-1ß) und Tumor-Nekrose-Faktor-á (TNF-á) erfasst. Die Quantifizierung der Zellschädigung erfolgte mittels histologischer Triphenyltetrazoliumchlorid-(TTC)-Färbung. Ferner wurde aus dem koronarvenösen Effluat die Konzentration der Creatinkinase (CK) und der Lactatdehydrogenase (LDH) bestimmt. Die Reperfusion der Herzen mit PMNs führte im Vergleich zur zellfreien Reperfusion zu einer signifikanten Verschlechterung der linksventrikulären Funktion. Ferner wiesen die PMN-reperfundierten Herzen eine signifikant höhere Zytokinkonzentration auf. Dagegen führte die PMN-Reperfusion lediglich zu einer tendenziellen Erhöhung der myokardialen Zellschädigung. Unter Verwendung eines Antikörpers gegen das Adhäsionsmolekül CD11/18 auf der Zelloberfläche der PMNs wurde das Modell validiert. Hierbei verminderte die Blockade der CD11/18-vermittelten PMN-Adhäsion an das Koronarendothel sowohl die PMN-induzierte myokardiale Dysfunktion als auch die myokardiale Zytokinkonzentration in den PMN-perfundierten Herzen. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, erstmals die pharmakologische Wirkung des neuen eNOS-Transkriptionsverstärkers S803, auf den PMN-induzierten Reperfusionsschaden in isoliert-perfundierten Rattenherzen zu untersuchen. Um einen in diesem Therapieansatz postulierten NO-abhängigen Mechanismus zu bestätigen, erfolgte eine Bestimmung der myokardialen eNOS-Expression mittels Western-Blot- Analyse. Ferner wurde in einem zusätzlichen Modell mit isoliert-perfundierten Rattenherzen die NO-abhängige Dilatationsfähigkeit der Koronarien untersucht. Darüber hinaus diente der HMG-CoA-Reduktase-Hemmer Simvastatin, der über die Stabilisierung der eNOS-mRNA zu einer erhöhten NO-Verfügbarkeit führt, als Positivkontrolle für einen NO-abhängigen Wirkungsmechanismus. Die subchronische Gabe des eNOS-Transkriptionsverstärkers S803 führte in den isoliert-perfundierten Herzen zu einer signifikanten Besserung der PMN-induzierten linksventrikulären Dysfunktion und verminderte signifikant die myokardiale Zytokinkonzentration gegenüber den PMN-perfundierten Kontrollherzen. Ferner wurde die eNOS-Proteinexpression in den Herzen signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten auf eine Verbesserung der PMN-induzierten linksventrikulären Dysfunktion über eine Erhöhung der NO-Verfügbarkeit hin. Diese Hypothese wurde durch die therapeutische Wirksamkeit von Simvastatin im Modell des PMN-reperfundierten Herzens bestätigt. Zudem führte Simvastatin zu einer signifikanten Erhöhung der eNOS-Expression. Des Weiteren war die myokardiale Dilatationsfähigkeit während der reaktiven Hyperämieantwort nach S803- und Simvastatin-Behandlung im Vergleich zu den Kontrollherzen signifikant verbessert. Durch Gabe des NOSynthasehemmers L-NAME wurde diese im Modell der reaktiven Hyperämie unter S803-Behandlung wieder aufgehoben und bestätigte ebenfalls einen NO-abhängigen Mechanismus. Die verbesserte reaktive Hyperämieantwort unter Simvastatin- Behandlung war dagegen nicht ausschließlich NO-vermittelt. S803, ein neuer eNOS-Transkriptionsverstärker, verbesserte in isoliert-perfundierten Rattenherzen sowohl einen PMN-induzierten Reperfusionsschaden als auch die reaktive Hyperämieantwort. Ferner wies die Substanz in der Vergangenheit in Arteriosklerose-Modellen in ApoE-Knock-out-Mäusen antiarteriosklerotische Wirkungen auf. S803 eröffnet somit einen neuen, vielversprechenden Therapieansatz zur Behandlung koronarer Herzkrankheiten.

Separation und Rekonstruktion funktionaler Elemente im Zentral-Nervensystem (2003)

Oliver Bossert

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Lücke im methodischen Spektrum neurobiologischer Methoden zu schließen. Es ist heute möglich, das Gehirn auf unterschiedlichen Ebenen zu beschreiben. Es stehen jedoch keine Methoden zur Verfügung, um die Anordnung der Zellen innerhalb eines Nukleus quantitativ zu beschreiben. Die Anzahl und die Anordnung der Zellen ist jedoch eine essentielle Voraussetzung, um die Funktion eines Nukleus zu verstehen. Das hier vorgestellte Verfahren zur Rekonstruktion eines Nukleus basiert auf Nissl-gefärbten Semidünnschnitten der Medialen Superioren Olive (MSO) der Wüstenrennmaus Meriones ungiuculatus. Diese werden mit einer Digitalkamera lichtmikroskopisch aufgenommen und bilden die Basis der Rekonstruktion. In einem ersten Schritt werden innerhalb einer Schnittebene mehrere Einzelbilder patchworkartig zu einem Image Mosaic zusammengefügt. Durch diesen Schritt ist die Auflösung innerhalb einer Schnittebene praktisch unbegrenzt. Das Verfahren beinhaltet mehrere Kontrollmechanismen und funktioniert praktisch fehlerfrei. Danach werden die Bilder farblich korrigiert und mit Methoden der Mustererkennung werden die Zellkerne extrahiert. Die Extraktion der Zellkerne steht in ihrer Qualität einer manuellen Extraktion in nichts nach. Die Zellkerne dienen als Grundlage für den Archimedes-Alignment-Algorithmus, der die Schnittserie in einen dreidimensionalen Bezug setzt, indem aufeinander folgende Schnitte aneinander ausgerichtet werden. Auch dieses Verfahren beinhaltet eine Kontrolle und funktioniert fehlerfrei. Aus diesen Daten kann dann eine Rekonstruktion erstellt werden. Diese wird weiter ausgewertet und ergibt schließlich ein dreidimensionales Abbild des untersuchten Bereichs. Sämtliche Verfahrensschritte arbeiten entweder fehlerfrei oder mit einer nur sehr geringen Fehlerrate. Somit stellt dieses Verfahren eine robuste, effiziente und universell anwendbare Möglichkeit für die umfassende Analyse der Neuronenverteilung im ZNS dar. Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit, Nuklei dreidimensional zu untersuchen, bietet aber auch einen Ansatzpunkt um mittels histologischer Daten weiteres Datenmaterial (etwa elektrophysiologischer oder morphologische Daten) zu integrieren.

Vorkommen und Stoffwechselleistungen von Bakterien der Gattungen Acetobacter und Gluconobacter während der Weinbereitung unter Berücksichtigung des Zucker-Säure-Stoffwechsels (2003)

Es wurden Untersuchungen über die Stoffwechselleistungen der im Most und Wein vorkommenden Essigsäurebakterien der Gattungen Acetobacter (13 Stämme) und Gluconobacter (2 Stämme) während der Weinbereitung durchgeführt. Die 15 Stämme der Essigsäurebakterien stammten aus der Sammlung des Fachgebiet Mikrobiologie und Biochemie Forschungsanstalt Geisenheim sowie aus der CCM (Czechoslovak Collection of Microorganisms). Die Stoffwechselleistungen, die unter Berücksichtigung des Zucker-Säure-Stoffwechsels beobachtet wurden, wurden bei Trauben der Sorten Riesling, Rotberger, Portugieser und Reichensteiner, den Mosten der Sorten Riesling, Portugieser und Rotberger und den Weißweinen der Sorten Riesling, Müller Thurgau und Rotwein eines Sortengemisches sowie Weiß- und Rotweinen verschiedener Jahrgänge aus Tunesischen Weinanbaugebieten durchgeführt. Die Essigsäurebakterien wurden auf die Nährböden (Traubenbeeren, Moste und Weine) beimpft und nach festgelegten Zeiten geerntet und analysiert. Die Beimpfung der Traubenbeeren erfolgte durch Besprühen der intakten und angestochenen Beeren mit den Bakterienkulturen. Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Analyseverfahren angewandt. Dünnschichtchromatographie wurde für die qualitative Analyse der Zuckersäure eingesetzt. Die Ketozuckersäuren wurde durch Flüssigchromatographie sowie HPLC bestimmt. Außerdem auch für die Bestimmung organischer Säuren, Zucker und Alkohole. Ethanol wurden auch mit Titration nach der Methode von Rebelein bestimmt. Gluconsäure, Essigsäure, Glucose, Fructose, D- und L-Milchsäure sowie Dihydroxyaceton wurden enzymatisch spektrophotometrisch quantifiziert. Der Vergleich der Ergebnisse von intakten und angestochenen Beeren zeigte, dass bei angestochenen Beeren ein schnelleres Wachstum der Essigsäurebakterien und damit auch höhere Stoffwechselleistungen erfolgten. Gluconsäure, 2-Ketogluconsäure, 5-Ketogluconsäure sowie 2,5-Diketogluconsäure können von verschiedenen Essigsäurebakterienstämmen produziert werden. Es scheint so, als ob die verschiedenen Arten der Essigsäurebakterien spezifische Muster der Gluconsäure Oxidationprodukte aufweisen. In synthetischen Medien produzierten Essigsäurebakterien große Menge Gluconsäure. Nach 30 Tage produzierten Essigsäurebakterien der Stämme Acetobacter aceti var. aceti, A. liquefaciens Stamm 1347-2, A. xylinum und Gluconobacter oxydans var. suboxydans im Glucosemedium jeweils mehr als 40 g/l Gluconsäure. 5-Ketogluconsäure wurden in allgemein mehr als 2-Ketogluconsäure produziert. Von allen beobachteten Stämmen produzierte nur A. liquefaciens 2,5-Diketogluconsäure. Sowohl in den roten- als auch in den weißen Traubenbeeren produzierten sie Gluconsäure und ihre Oxidationsprodukte. In 15 Tagen wurden bis 11,5 g/l Gluconsäure, 5,3 g/l 2-Ketogluconsäure und bis 9,8 g/l 5-Ketogluconsäure produziert. Das Wachstum der Essigsäurebakterien in den Weinen verlief sehr langsam. In den Weinen wurden von den Essigsäurebakterien nur Essigsäure produziert. Die Produktion von Essigsäure war bei den unterschiedlichen Stämme sehr verschieden. A. aceti var. aceti produzierte die höchste Konzentration von Essigsäure sowohl bei Rotwein als auch bei Rieslingwein. A. aceti var. aceti produzierte bis 87 g/l in Rotwein und bis 61 g/l in Rieslingwein Bei Untersuchungen fertiger Weine wurden außer Gluconsäure auch 2-Ketogluconsäure, 5-Ketogluconsäure und 2,5-Diketogluconsäure gefunden, die auf den Stoffwechsel der Essigsäurebakterien aus Glucose und Gluconsäure zurückgeführt werden müssen. In den untersuchten fertigen Weinen aus Tunesien wurde 0,2 - 7,4 g/l Gluconsäure, 2 - 35 mg 2-Ketogluconsäure, 6 - 30 mg/l 5-Ketogluconsäure und bis 14 mg 2,5-Diketogluconsäure analysiert. Nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen stammen die hohen Gluconsäurekonzentrationen in den Weinen von Gluconobacter oxydans. Die Herkunft der Gluconsäure in diesen Weinen aus dem Stoffwechsel von Essigsäurebakterien wird durch die hochsignifikanten Beziehungen zwischen Gluconsäure und 2-Ketogluconsäure, sowie 2,5-Diketogluconsäure belegt.

Das Vorkommen der die Alterung auslösenden Precursoren und der Einfluss von Mikroorganismen auf die TDN-Bildung in Wein (2003)

Nurmiati Periadnadi

Die Neubildung von Aromasubstanzen durch Carotinoidabbau ist eine der vielen Veränderungen der Weine während der Flaschenlagerung. In gealterten Weinen entstehen aromawirksame Kohlenwasserstoffe, C13-Komponenten, u.a. TDN aus den Carotinoidsubstanzen der Weinbeeren. TDN, das natürlich in Pflanzenprodukten vorhanden ist, liefert einen wichtigen Beitrag zum typischen Kerosin-ähnlichen Charakter in Flaschen gealterter Rieslingweine. Als TDN-Precursoren sind oft die Carotinoide Lutein und ß-Carotin vorgeschlagen worden. Die TDN-Bildung wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Außer vom Carotinoidgehalt in den Beeren bzw. Mosten, auch von den Traubensorten und -klonen, den verwendeten Hefen und auch durch die Jahrgänge. Andere Aspekte, wie das Vorhandensein von Luteinestern, die Verhältnisse der Carotinoide untereinander, weinbauliche Maßnahmen, wie Entblätterungen, sowie die Gesamtsäure bzw. die pH-Werte der Traubenmaischen, die die TDN-Bildung beeinflussen könnten, wurden ebenfalls mit einbezogen. Die TDN-Bildung während des Weinherstellungsprozesses sowie die TDN-Entwicklung bei der Alterung und dem damit verbundenen Carotinoid-Abbauprozess wurde in dieser Arbeit durch Modellversuche zu klären versucht. Während der Studien wurden Traubenbeeren, Moste und Jahrgangsweine der Sorte Riesling und anderer weißer Sorten verwendet. Der Einfluss von Mikroorganismen auf den TDN-Gehalt wurde durch Verwendung von 9 Hefestämmen (Saccharomyces spp.) und auch bei Spontangärung untersucht. Die Extraktionen der Carotinoide aus Trauben, Mosten und Weinen wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Eine neue Methode musste wegen des hohen Wasser-, Zucker- und Säuregehalt des Mostes und Weines sowie der gärenden Moste verschiedener Dichten entwickelt werden. Für die Analysen der Carotinoide sowie die deren Luteinestern wurden verschiedene HPLC-Verfahren eingesetzt. Als stationäre Phase dienten Säulen LiChroCART 250-4 HPLC Cartridge LiChrospher 100 RP18 (5µm), RP18 125-4 M LiChroCART, sowie eine 250x4,6 mm (5µm) Hypersil Elite C18. Die Säulentemperatur lag bei 28°C. Die Trennungen wurden mit verschiedenen mobilen Phasen durchgeführt. Mit dem Einsatz des Dioden-Array-Detektor wurden verschiedene Wellenlänge zur Messung der einzelnen Carotinoide verwendet. Lutein wurde bei 450(±4) nm bestimmt, während Zeaxanthin, ß-Apo-8'-Carotinal, ß-Carotin und Chlorophyll-b bei 460(±6) nm und Chlorophyll-a bei 440(±4) nm, gemessen wurden. Außerdem wurden auch typische Wellenlängen wie 473(±6) nm für ß-Apo-8'-Carotinal und 662(±4) nm für Chlorophyll-a eingesetzt. Die TDN-Konzentrationen der Proben wurden durch Gaschromatographie/ Massenspektrometrie analysiert. Die mögliche TDN-Bildung unter Berücksichtigung des Carotinoidabbaus wurde außer in Jungweinen auch in Blankweinen nach Zugabe von Reinsubstanzen bzw. Beerenextrakten beobachtet. In den trüben Jungweinen veränderten sich die Mengen aller Farbstoffe während der Gärung. Die bedeutendsten Veränderungen der Carotinoid-Inhaltstoffe fanden nach dem Erreichen der Maximum-Werte der gebundenen ß-Glucosidaseaktivität der Hefen statt. Die größere Aktivität bei Kellertemperatur, die ebenfalls von der Populationszahl abhängt, verursachte auch die größeren Veränderungen des Carotinoidgehaltes. Es wird festgestellt, dass nach der Gärung nur noch die Hälfte der Konzentrationen der Carotinoide und Chlorophylle übrig geblieben ist und die Bildung von TDN bereits während der Gärung stattgefunden hat. Es wurde gezeigt, dass der Lutein- bzw. der TDN-Gehalt in Jungweinen mit der Glucosidaseaktivität der verwendeten Hefen korreliert werden kann. Dass der Zusammenhang zwischen dem Lutein in Mosten und den TDN-Konzentrationen in den Weinen bei den Rieslingklonen deutlicher ist als bei den anderen Sorten, zeigt dass Lutein ein TDN-Precursor ist. Die Verhältnisse von Lutein zu ß-Carotin ist in den Rieslingtraubenbeeren größer als in den Beeren der anderen "Weißen-Sorten". Die TDN-Bildung in Weinen, die aus den Mosten mit niedrigeren pH-Werten gewonnen wurden, war höher als solche aus Mosten mit höherem pH-Wert. Bei den Weinen aus Trauben der entblätterter Rebstocke zeigten höhere TDN-Gehalt, weil solche weinbauliche Maßnahmen die Konzentrationen der gelöster Carotinoide in den Trauben und folgend auch in den Jungweinen erhöht. Lutein, ß-Carotin und Zeaxanthin sind die Carotinoid-Hauptprecursor bei der TDN-Bildung. Beim prozentualen Vergleich deren Verluste während der Gärung und Lagerung ist der bei Lutein bzw. Zeaxanthin grösser als der bei ß-Carotin. Dabei sind die Mengen maßigen Verluste von ß-Carotin höher als bei Lutein und Zeaxanthin. Als TDN-Precursor sind die Carotinoide Lutein bzw. Zeaxanthin labiler als ß-Carotin. Zeaxanthin wurde nur in sehr geringen Mengen in der Traubenbeeren gefunden. Die Reinsubstanzen Lutein bzw. ß-Carotin zeigten auch deutlich ihren Precursor-Charakter in Hinblick auf die potentielle TDN-Bildung. Durch Säurehydrolyse der Reinsubstanzen bei 50oC zeigte es sich, dass normales TDN, TDN+2 und TDN+4 in D2O (2H2O) aus Lutein gebildet wurde. Aus ß-Carotin wurde nur wenig TDN erzeugt.

Rohrmodelle des Sprechtraktes : Analyse, Parameterschätzung und Syntheseexperimente (2003)

Karl Schnell

Das zeitdiskrete Rohrmodell besitzt für die Modellierung der menschlichen Sprachproduktion eine wichtige theoretische und praktische Bedeutung, da es ein mathematisch handhabbares Modell darstellt und zugleich eine vereinfachte akustische Beschreibung des Sprechtraktes beinhaltet. Dies ist einerseits begründet durch die modellhafte Beschreibung der Ausbreitung von ebenen Wellen durch den Sprechtrakt und andererseits in der Darstellung des Rohrmodells als zeitdiskretes lineares System. Erst durch die Verfügbarkeit von adäquaten Schätzalgorithmen, welche die Modellparameter aus dem Sprachsignal bestimmen, ist das Rohrmodell für Anwendungen in der Sprachverarbeitung interessant. Diese liegen allerdings nur für die einfachsten unverzweigten Rohrmodelle vor, welche den Sprechtrakt nur stark vereinfacht modellieren. Für erweiterte Rohrmodelle existieren nur in eingeschränkter Weise adäquate Schätzalgorithmen, mit denen die Modellparameter aus dem Sprachsignal geschätzt werden können. Daher wird mit dieser Arbeit versucht diesen Mißstand aufzulösen, wofür Schätzalgorithmen auch für erweiterte Rohrmodelle entwickelt und vorgestellt werden. Die Erweiterungen des Rohrmodells beziehen sich auf Rohrverzweigungen, die auch mehrfach auftreten können, und Rohrabschlüsse, die frequenzabhängig oder zeitvariabel sein können. Zusätzlich werden Sprechtraktmodelle behandelt, die zwei Systemausgänge aufweisen. Dies wird für Analysen von getrennt aufgenommenen Mund- und Nasensignalen von nasalierten Lauten diskutiert, um die Lippen- und Nasenabstrahlung einzeln zu berücksichtigen. Ebenso werden verzweigte Modelle mit zwei Systemausgängen für eine Beschreibung des Nasaltraktes unter Berücksichtigung der beiden Nasengänge behandelt. Die Erweiterungen des Rohrmodells durch Verzweigungen und angepaßte Rohrabschlüsse ermöglichen eine genauere Beschreibung des Sprechtraktes infolge der Verzweigungen durch den Nasaltrakt und infolge der Abschlüsse an den Lippen, Nasenlöchern und der Glottis. Die Parameterbestimmung wird durch Minimierung eines Fehlers durchgeführt, welcher ein spektrales Abstandsmaß zwischen dem Rohrmodell und dem analysierten Sprachsignal darstellt. Für die Definition des Fehlers wird die inverse Filterung herangezogen, welche eine Leistungsminimierung des Ausgangssignals des inversen Systems beinhaltet. Dabei hat sich gezeigt, daß die Fehlerdefinition der inversen Filterung modifiziert werden muß, um auch erfolgreich auf erweiterte Rohrmodelle angewendet werden zu können. Die Modifikation kann für erweiterte Rohrmodelle einheitlich für den zeitinvarianten und zeitvariablen Fall vorgestellt werden. Über den allgemeinen Ansatz der Schätzung hinaus werden auch effiziente Schätzverfahren für ausgewählte Rohrstrukturen und allgemeine Pol-Nullstellen-Systeme vorgestellt. Die diskutierten Schätzverfahren ermöglichen eine gute Approximation der Sprachspektren durch die Modellbetragsgänge. Darüber hinaus konnte auch gezeigt werden, daß durch entsprechende Rohrmodellstrukturen und eine geeignete Vorverarbeitung des Sprachsignals realistische Querschnittsflächen des Sprechtraktes geschätzt werden können. Daher eignen sich die erweiterten Sprechtraktmodelle auch für die Sprachproduktion. In Synthesebeispielen wurden Lautübergänge auf der Basis von geschätzten Vokaltraktflächen realisiert und in Resynthesebeispielen mittels unverzweigter Rohrmodelle wurde insbesondere die Anregung der Modelle diskutiert. Daß durch die Verwendung von Rohrmodellen auch Lauttransformationen möglich sind, zeigt die vorgestellte künstliche Nasalierung von Sprachsignalen unnasalierter Laute, welche mittels verzweigter Rohrmodelle und Analysen von getrennt aufgenommenen Mund- und Nasensignalen erreicht werden konnte.

Regulation of IL-18 binding protein by IFN-gamma (2003)

Jens Paulukat

In this study we investigated the regulation of IL-18BPa by IFN-y in the context of colon cancer and human autoimmune diseases. IL-18BPa is a naturally occuring inhibitor that counteracts IL-18 bioactivity. By enhancing IFN-y production IL-18 has been introduced as pivotal mediator of TH1 immune responses. Indeed, many IL-18 effects are mediated by IFN-y. IL-18 bioactivity is connected with the pathogenesis of different inflammatory diseases, for instance, septic shock, colitis, Crohn's disease, myasthenia gravis, multiple sclerosis, rheumatoid arthritis, atherosclerosis, and organ transplant rejection. In addition, IL-18 has tumor-suppressive properties. IFN-y induced IL-18BPa expression was shown on protein and mRNA level in different colon carcinoma cell lines, organ cultures of colonic intestinal biopsy specimens, HaCaT keratinocytes as well as rheumatoid arthritis fibroblastlike synoviocytes (RA-FLS). The IFN-y-mediated induction of IL-18BPa appears to be a more general phenomenom. The capability of IFN-y to induce IL-18BPa also has been confirmed on the promoter level by performing luciferase reporter gene studies with two IL- 18BP promoter fragments. A GAS-site proximal to the transcription start site has been identified to be relevant for IFN-y-mediated induction of these two IL18BP promoter fragments. The induction of IL-18BPa is most likely mediated by STAT-1 in DLD-1 colon carcinoma cells. Sodium butyrate inhibited IFN-y-induced IL-18BPa expression in these cells. On the basis of our observations, we postulate a negative feedback mechanism, by which IFN-y-dependent and -independent IL-18 action might be counterregulated. In this model sodium butyrate is an additional player, that may interrupt the postulated negative feedback loop. A coculture system was performed to simulate an inflammatory TH1 response. This model which is more close to the in vivo situation, confirmed upregulation of IL-18BPa by endogenously produced IFN-y. The role of IL-18BPa is manifold and depends on IL-18 function in each particular case. In autoimmune diseases, for instance, which are often characterized by a TH1 polarized immune response, IL-18BPa might counterregulate IL-18 and/or IL-18-induced IFN-y bioactivity. Important examples are Crohn's disease and rheumatoid arthritis. In CD therapeutic use of IL-18BPa may therefore restore a hypothetically disturbed IL-18/IL-18BP balance. Concerning RA, IL-18BPa expression might contribute to protective functions of IFN-y, observed in different murine models for arthritis and in rheumatoid arthritis patients. Moreover, IL-18BPa might inhibit IL-18-mediated induction of subsequent cardinal inflammatory cytokines responsible for the pathogenesis of these diseases. Indeed, the pharmaceutical industry successfully used IL-18BP as therapeutic agent in a murine model of RA and in phase I clinical trials. On the contrary, in the context of carcinogenesis IFN-y- mediated IL-18BPa expression might be disadvantageous. By counterregulating the IL-18 arm of immune defenses against tumors, IL-18BP may have the potential to promote carcinogenesis. Our hypothesis is underlined by the observation that sodium butyrate, known to be protective in colon cancer, inhibited IFN-y-induced IL-18BPa expression. In parallel, IL-18-induced IFN-y is also responsible for iNOS induction. iNOS-derived NO provides a second possible way for inhibition of IFN-y-dependent and -independent tumor suppressive effects of IL-18. Finally, IFN-y-induced IL-18BPa expression was confirmed on the promoter level. This induction on the promoter level was associated with STAT-1 binding to the GAS element proximal to the start of transcription. It is tempting to speculate that blockage of the cytokine cascade upstream of IL-1 and TNF- a on the level of IL-18 may be of therapeutic benefit. Our data reflect the relationship between inflammation and cancer, in that inflammatory cells and cytokines found in tumors are likely to contribute to tumor growth, progression, and immunosuppression than they are to mount an effective host antitumour response.

Untersuchungen zum Einbau von Analytionen in MALDI Matrizes sowie zur Ionisation und Adduktbildung in der MALDI-Massenspektrometrie (2003)

Ralf Krüger

Durch die beiden Ionisationstechniken Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI) und Electrospray-Ionization (ESI) sind Biopolymere für die Massenspektrometrie zugänglich geworden und die Zahl der biochemischen Applikationen ist sprunghaft angestiegen. Dagegen sind die zugrundeliegenden Prozesse der Ionenbildung nur zum Teil bekannt. Bei MALDI wird die Laserstrahlung durch die Matrix absorbiert, wodurch es zur explosiven Auflösung der festen Phase unter Bildung von geladenen Molekülen kommt. Der genaue Mechanismus vom Festkörper zum gasförmigen Ion ist nur teilweise aufgeklärt und Gegenstand vieler Diskussionen. Eine wichtige Funktion der Matrix ist die räumliche Separierung und Isolierung der Analyte beim Einbau in die Matrixkristalle. Während der Einschluß von Molekülen in Wirtskristalle schon früh als wesentliches Merkmal von MALDI erkannt wurde, ist bisher noch nicht systematisch untersucht worden, in welcher Form die Analyte im Kristall vorliegen. Genau diese Information ermöglicht jedoch Aussagen über die Relevanz verschiedener Mechanismen der Ionenbildung bei MALDI. Die Bestimmung des Ausgangszustandes des Analyten im Matrixkristall und die Abschätzung möglicher Reaktionen bei der nachfolgenden Freisetzung der Analytionen ist das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit. In dieser wurde insbesondere der Ladungszustand der Analyte sowie der Einschluß von Lösungsmittel untersucht. Des weiteren wurden Experimente zur Zahl und Koordination möglicher Gegenionen, zur Neutralisation dieser Ionenpaare und zur Adduktbildung bei MALDI durchgeführt. Die Ergebnisse erlauben Aussagen über primäre und sekundäre Ionisationsreaktionen, die zu einem stimmigen Bild der Ionenbildung bei MALDI zusammengefaßt wurden. Grundlage des vorgestellten Modells sind bereits veröffentlichte Modelle, deren wesentliche Aspekte teilweise schon in den ersten Jahren nach der Einführung von MALDI, zu einem erheblichen Teil aber erst in jüngster Zeit erkannt wurden. Einen erneuten Anstoß für die Diskussion um den Mechanismus von MALDI gab die Hypothese, daß die Ionisation eng mit der Bildung von Clustern verbunden ist und dabei sowohl eine Freisetzung präformierter Ionen als auch nachfolgende Reaktionen unter Transfer von Protonen und Elektronen erfolgen. Der Ausgangspunkt für all diese Prozesse ist der Analyt im Matrixkristall. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente zeigen, daß einige wesentliche Postulate des "Cluster-Modells" richtig sind. Insbesondere konnte der Beweis geführt werden, daß Analyte geladen im Matrixkristall existieren und daß die gelöste Form des Analyten weitgehend im Matrixkristall konserviert wird. Als einfache Testsysteme wurden Matrixlösungen mit verschiedenen pH-Indikatoren versetzt und die Farbe der Kristalle dokumentiert. Dabei zeigte sich, daß in Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung sowohl Moleküle mit einer positiven oder negativen Nettoladung als auch neutrale Zwitterionen gleichermaßen effizient in Matrixkristalle eingebaut werden. Die Ladung aller sauren und basischen funktionellen Gruppen des Analyten im Kristall ist damit durch den pH-Wert der Matrixlösung bestimmt. Wenn eine Nettoladung vorhanden ist, muß zudem diese Ladung durch Gegenionen kompensiert sein, so daß Ionenpaare entstehen. Aber auch bei Zwitterionen können Gegenionen vorhanden sein. Darüber hinaus gelang durch 1H-NMR-Spektroskopie der Nachweis, daß Lösungsmittel im Kristall eingeschlossen ist und selbst nach Trocknen der Kristalle bei erhöhter Temperatur oder im Vakuum dort verbleibt. Dies führt zu dem anschaulichen Bild, daß Analyte in Abhängigkeit vom pH-Wert als "Multi-Ionenpaare" und partiell solvatisiert im Matrixkristall konserviert werden. Ausgehend von diesen präformierten, solvatisierten Ionenpaaren wird durch den plötzlichen Energieeintrag des Laserpulses die explosive Bildung von Clustern ausgelöst. Für die Bildung von geladenem Clustern gibt es zwei plausible Erklärungsansätze. Durch die Existenz der geladenen Analyte im Kristall ist eine besonders einfache Ionisation unter Freisetzung "präformierter" Ionen durch die Trennung eines Ionenpaares denkbar. Eine zweite Möglichkeit wäre die Photoionisation eines Matrixmoleküls mit nachfolgendem Protonentransfer. Da aber stets negative Ladungen vorhanden sind (entweder im Analyten selbst oder als Gegenion), wird bevorzugt ein Anion neutralisiert. In beiden Fällen entsteht ein Cluster, der durch ein fehlendes oder neutralisiertes Gegenion geladen ist. Die Freisetzung des Analytions erfolgt durch Verdampfen von Neutralmolekülen (Matrix, Lösungsmittel). Ionenpaare werden durch Protonentransfer neutralisiert, so daß kleine Neutralmoleküle abdampfen und mit Ausnahme von Metallkationen keine ionischen Addukte detektiert werden. Der Protonierungsgrad des Analyten beim Einbau hat einen erheblichen Einfluß auf die detektierten Ionen. Sind bereits in Lösung und damit im Kristall positiv geladene Gruppen vorhanden, werden besonders leicht protonierte Molekülionen gebildet. Dagegen entstehen aus deprotonierten Vorläuferionen (in der Regel negativ geladen) verstärkt kationisierte Molekülionen. Dabei ist nicht die Nettoladung entscheidend, sondern die Existenz und Anzahl positiver und negativer Gruppen im Analyten. Die Kationisierung erfolgt bereits im Kristall, da die Ionen eine hohe, MALDI-typische Anfangsgeschwindigkeit zeigen. Die Koordination der Kationen an der negativen Ladung verhindert die Neutralisation durch Protonierung, die wesentlich für die Freisetzung von protonierter Molekülionen ist. Diese Neutralisation von Ionenpaaren ist auch die Ursache dafür, daß Anionenaddukte normalerweise nicht nachgewiesen werden. Durch Zugabe einer sehr starken Säure wird jedoch diese Zwischenstufe stabilisiert und erscheint in Form von Anionenaddukten im Spektrum. Dabei zeigte sich, daß die Anzahl der detektierten Addukte mit der Zahl der basischen Stellen im Analytmolekül korreliert, welches den Einbau von (mehrfach) geladenen Analytionen zusammen mit ihren Gegenionen bestätigt. Neben der Koordination der Anionen an positiv geladenen Stellen des Analyten ist die Energiebilanz des Protonentransfers dafür entscheidend, ob die Anionenaddukte den MALDI-Prozeß überstehen, so daß Anionen mit einer vergleichsweise geringen Gasphasenbasizität zur Adduktbildung neigen. Des weiteren kann die Konkurrenz verschiedener Anionen bei der Bildung der Ionenpaare eine Verschiebung der Adduktverteilung bewirken. Aber auch eine höhere Energiezufuhr (z.B. durch höhere Laserenergie) bewirkt eine verstärkte Neutralisation der Ionenpaare, wobei ein erheblicher Anteil metastabiler Fragmentierungen auftritt. Die Koordination von Gegenionen und die "metastabile Neutralisation" führt bei Verbindungen, die zur Ionenpaarbildung neigen, zur Peakverbreiterung und zu einer begrenzten Auflösung. Darüber hinaus sind bei MALDI weitere Sekundärreaktionen beteiligt. Dazu zählt die Übertragung von Wasserstoffatomen, die wahrscheinlich auch die Ursache für prompte Fragmentierungen ist (in-source decay, ISD). Ob eine Ladungsreduktion mehrfach geladener Vorläuferionen durch Elektronen auch bei Biopolymeren eine wesentliche Rolle spielt, bleibt dagegen weiterhin offen. Durch die in Abhängigkeit von der Nettoladung zunehmende Coulomb- Anziehung der koordinierten Gegenionen werden vermutlich erst gar keine hochgeladenen Ionen in die Gasphase freigesetzt. Die vorgestellten Ergebnisse ergeben ein plausibles, qualitatives Bild der Ionenbildung bei MALDI. Es wurde gezeigt, daß die gelöste Form des Analyten inklusive Ladungen, Gegenionen und Solvathülle bei der Kristallisation weitgehend erhalten bleibt, und daß diese Ausgangssituation entscheidend für die Art der letztendlich gebildeten Gasphasenionen ist. Zudem ist nicht die Protonierung neutraler Analyte, sondern eine Neutralisation von Ionen(paaren) durch Protonentransfer ein zentraler Bestandteil von MALDI.

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