Dissertationen/Habilitationen

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    EMV-Untersuchungen für die Qualifizierung von elektrischen Orbitalantrieben für Satelliten
    (2024) Rover, Yannik
    Bei dieser Arbeit handelt es sich um eine kumulative Dissertation. Die Forschungsarbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) an Orbitalantrieben für Satelliten. Grundlage dieser Arbeit ist die voranschreitende kommerzielle Nutzung von elektrischen Raumfahrtantrieben. Hierfür steht ein Radiofrequenz-Ionentriebwerk (RIT) als Stellvertreter der elektrostatischen Triebwerke zur Verfügung. Veröffentlichungen in themenspezifischen Journalen dokumentieren die durchgeführten Arbeiten und zeigen die gewonnenen Erkenntnisse. Dabei handelt es sich um die Generierung und Erweiterung von Simulationsmodellen für das Triebwerk, inklusive Ionenstrahl, wie auch dessen Peripheriekomponenten. Weiterhin sind der Aufbau und die Inbetriebnahme einer halb-reflexionsfreien Absorberkammer mit Vakuumtank beschrieben. Diese Ausarbeitung dient der Einordnung und Zusammenfassung der veröffentlichten Beiträge, durch welche ein umfassendes Wissen innerhalb der Themenfelder entstanden ist und somit wiederum neue Arbeiten ermöglicht werden. Die Einflüsse auf die EMV eines Triebwerks, durch einen Radiofrequenz-Generator sowie einen Ionenstrahl, sind durch Simulationen nun vorhersagbar und werden in weiteren Schritten zusammengeführt, um ein umfassendes Modell zu erhalten. Die optimierte halb-reflexionsfreie Absorberkammer eliminiert die Schwächen bestehender, vergleichbarer Testeinrichtungen und ermöglicht aussagekräftige Analysen.
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    Mass spectrometric analysis of cell metabolism following parasitic infection
    (2023) Anschütz, Nils Holger
    Neospora caninum and Cryptosporidium parvum belong to the phylum Alveolata (Subphylum Apicomplexa) are two very widespread parasites. Cryptosporidiosis, caused by C. parvum, is a zoonosis. This is not the case with neosporosis, which is caused by N. caninum. However, there is growing concern that N. caninum may eventually become a threat to humans, as clinically manifest neosporosis has also been reported in two rhesus monkeys. Affecting more than 1 billion people worldwide, human cryptosporidiosis remains a neglected poverty-related disease (PRD) that can be fatal in already weakened patients, especially young children. N. caninum has a significant economic impact on the livestock industry as it is a major cause of reproductive disorders not only in cattle but also in other small ruminant species. The spread of both parasites and associated diseases is increasing due to climate change and the global movement of people and transport of goods. Both parasites have a demonstrable negative impact on people's quality of life and should therefore be the focus of scientific research. But there is still a lot of catching up to do, especially in the area of basic research in regard to the biomolecular composition of the two parasites and their influence on the metabolism of their hosts. This deficiency could be counteracted in this work. The parasites were studied using matrix-assisted laser desorption/ionisation (MALDI) mass spectrometry (MS) combined with high performance liquid chromatography (HPLC). MALDI was used as MS and MS imaging (MSI) method. The MALDI experiments were performed using the SMALDI (scanning microprobe matrix-assisted laser desorption/ionisation) ion source, which operates at atmospheric pressure. It is suitable for the analysis of complex 3D surfaces with a low sample amount requirement. MS instrumentation has improved considerably over recent years, allowing detailed mass analysis to determine compounds from their very precise molecular masses. It is possible to annotate and subsequently identify analytes. For the structural verification of the markers, HPLC-MS/MS experiments were combined with database search. Identifying molecular biomarkers of parasite-infected host cells and further elucidating their functions were among the main objectives of this study. The statistically relevant biomarkers, with the focus on lipids, that were found by MS, annotated by database and identified by HPLC-MS/MS measurements, were also found and visualized with AP-SMALDI MSI in infected monolayers and host tissue. There is an overlap of the identified markers between N. caninum and C. parvum as well as between the two parasites and other parasites from the literature. PI (36:1) has been identified as a marker of host cell infection by N. caninum, C. parvum, T. gondii and B. besnoiti. Phosphatidylinositol is found in cell membranes and is essential for anchoring proteins to the membrane. They play a role in the transition of the parasite (T. gondii) between its stages (tachyzoites and bradyzoites). Overall, the present approach provides new metabolic insights into both diseases that have been neglected by science.
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    Sicherheitsempfinden in der spezialisierten ambulanten Palliativversorgung
    (2023) Bezmenov, Alexandra
    Hintergrund: Sicherheit kann als eines der wichtigsten menschlichen Grundbedürfnisse betrachtet werden. Die Patientensicherheit stellt neben der Effizienz und Patientenzentriertheit einen Grundpfeiler der Versorgungsqualität im Gesundheitswesen dar. Auch in der Palliativmedizin zeichnete sich in den letzten Jahren eine zunehmende Bedeutung der Patientensicherheit ab. Neben der fehler- und schadensfreien Behandlung scheint aus Patientensicht vor allem die zwischenmenschliche Sicherheit mit emotionalen, sozialen und spirituellen Aspekten zunehmend im Vordergrund zu stehen. Bislang ist jedoch nur wenig über die Prävalenz, Einflussfaktoren und Auswirkungen eines beeinträchtigten Sicherheitsempfindens in der häuslichen Palliativversorgung bekannt. Zielsetzung und Forschungsfragen: Die Zielsetzung der vorliegenden Studie besteht darin, einen patientenzentrierten Einblick in mögliche Problemfelder der Patienten hinsichtlich des Sicherheitsempfindens im häuslichen Umfeld zu gewinnen. Daraus ergeben sich folgende drei Forschungsfragen: 1. Wie hoch ist die Prävalenz eines beeinträchtigten Sicherheitsempfindens bei SAPV-Patienten? 2. Welchen Einfluss nehmen persönliche und krankheitsbezogene Faktoren auf Patienten mit einem beeinträchtigten Sicherheitsempfinden? 3. Inwieweit nimmt das geäußerte Sicherheitsempfinden einen Einfluss auf die weitere Versorgung der Patienten (Versorgungslänge, Ausschluss, Sterbeort, Überlebenszeit, Kontakte mit dem SAPV-Team, Hospitalisationen)? Methodik: Es wurde eine explorative Querschnittsumfrage mittels standardisiertem Fragebogen unter SAPV-Patienten durchgeführt. Anhand logistischer Regressionsanalyse wurde die Höhe der Korrelation zwischen soziodemographischen und klinischen Merkmalen mit dem Sicherheitsempfinden ((eher) sicher vs. (eher) unsicher) ermittelt. Im zweiten Teil der Studie wurde anhand einer Follow-up-Analyse mithilfe nicht-parametrischer Tests (Chi-Squared-Test und Mann-Whitney-U-Test) untersucht, inwieweit signifikante Differenzen zwischen den Gruppen hinsichtlich ausgewählter Versorgungsaspekte bestehen. Ergebnisse: Von insgesamt 646 potenziellen Studienteilnehmern erfüllten 235 Teilnehmer die Ein-schlusskriterien. Davon willigten 100 Patienten in die Studienteilnahme ein. Jeder fünfte Patient wies in der häuslichen Palliativversorgung ein beeinträchtigtes allgemeines Sicherheitsempfinden auf. Die separierte Betrachtung einzelner Sicherheitsdomänen konnte ein beeinträchtigtes Sicherheitsempfinden aufgrund eingeschränkter Mobilität (60 %), körperlicher Symptome (30 %), psychischer Symptome (26 %), Folgen der Therapie (19 %) und Problemen in der Bewältigung des Alltags (18 %) aufdecken. Diese fünf Sicherheitsdomänen wiesen einen signifikanten Zusammenhang zum allgemein beeinträchtigten Sicherheitsempfinden auf. Mit einer Zunahme palliativversorgungsbezogener Probleme (steigender IPOS-Score) reduzierte sich das Sicherheits-empfinden (OR 0,88, CI 0,82–0,94, p <0,05). Die Follow-up-Analyse zeigte, dass die Restlebensdauer bei Patienten mit einem beeinträchtigten Sicherheitsempfinden ver-gleichsweise signifikant kürzer war (Median 61.5 vs. 34.5 Tage, p <0,05). Diskussion: Die Ergebnisse legen relevante Einschränkungen des Sicherheitsempfindens von SAPV-Patienten vor allem in physischen und psychischen Domänen nahe, was die hohe Relevanz des Themas „Patientensicherheit“ im häuslichen Umfeld unterstreicht. Vor allem direkte Auswirkungen der Erkrankung und Therapie scheinen das Sicherheitsempfinden der Patienten zu beeinflussen. Durch die vorliegenden Ergebnisse der Studie kann das SAPV-Team dafür sensibilisiert werden in welchen Domänen bei besonders vielen Patienten Sicherheitsbedenken bestehen. So können anhand der Vermittlung von Handlungssicherheit sowie der Wahrung der Autonomie des Patienten gemeinsam Strategien zur Stärkung des Sicherheitsempfindens erarbeitet werden. Weitere Studien sind notwendig, um die Frage nach der Ursache der signifikanten Verkürzung der Überlebenszeit bei Patienten mit einem beeinträchtigten Sicherheits-empfinden zu klären.
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    Surface Formation and Degradation of Cathode Active Materials during Synthesis and Battery Operation
    (2024) Dreyer, Sören Lukas
    Lithium-ion batteries (LIBs) offer both a relatively high energy and high power density, and thus see widespread application and continuous research and development efforts, especially to increase their energy density further and to decrease their cost. Sodium-ion batteries (SIBs) are considered, both in research and industry, as a complementary battery technology to LIBs, with on the one hand lower energy densities, yet on the other hand with lower costs, due to the ubiquity of sodium in contrast to the relative scarcity of lithium. In both LIBs and SIBs, the cathode active material (CAM) makes up the largest part each of battery weight and cost. Consequently, understanding and improving CAMs is of utmost importance to further develop battery technology. This work focusses on the CAM surface from various perspectives, with in situ gas evolution studies as an additional bridging element, as various reactions on and of the CAM surface can be understood from the gasses they evolve. First, a review of in situ gas evolution studies on battery materials is presented, focusing on novel materials and cell concepts. The gas evolution of SIBs in contrast to LIBs is identified as a research gap. The first original research work in this thesis then considers the formation of CAM surfaces in dependence of the process route of CAM preparation. Specifically, it is shown that Zr4+, when introduced into LiNiO2 (LNO) as a dopant, is enriched on the primary particle grain boundaries, acting as a grain growth inhibitor. The doping process route determines the initial Zr4+ distribution, and thus the extent of the grain growth inhibition, yielding LNO primary particles of different specific surface areas. This in turn determines both electrochemical performance and gas evolution of the CAM. In a second work, the exposure of new surfaces due to crack formation during bat-tery cycling is studied operando via Acoustic Emission (AE) for a series of SIB CAMs with increasing configurational entropy. It is shown that AE allows to distinguish be-tween less degradative intergranular cracking, i.e. deagglomeration of particles, and more degradative intragranular cracking, while not being sensitive to gas evolution. Lastly, the gas evolution of Prussian white (PW), a SIB CAM, especially the evolution of (CN)2 and HCN from its hexacyanoferrate structure, is studied in detail, after a previous study finding first evidence for (CN)2 evolution, indicating a new surface degradation mechanism for PW CAMs. It is found that the CAM water content de-termines the evolution of H2, which is the most prominently evolved gas. Yet, the conductive salt anion in the electrolyte determines CO2 and (CN)2 evolution between NaPF6- and NaClO4-based electrolytes. The oxidative properties of NaClO4 are identified as the cause for increased (CN)2 evolution in its presence at the CAM surface, and a plausible reaction mechanism is presented in light of the available literature.
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    Einfluss von Kohlenmonoxid und Carbon Monoxide-Releasing Molecules auf die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion in der isolierten, ventilierten und perfundierten Mauslunge
    (2023) Albus-Krieger, Julia Patricia
    Die hypoxische pulmonale Vasokonstriktion ist ein Mechanismus zur pulmonalen Blutfluss-regulation, der zu einer Umverteilung der Perfusion aus hypoxischen alveolären Bereichen in besser ventilierte Alveolen der Lunge führt und so eine Optimierung der Oxygenierung des zirkulierenden Blutes garantiert. Trotz intensiver Forschung ist der genaue Sauer-stoffsensor und der grundlegende Signaltransduktionsweg noch nicht vollständig identifi-ziert, aber es ist bereits bekannt, dass der pulmonalvaskuläre Tonus und die HPV durch NO/cGMP-abhängige Mechanismen, Cytochrom P450 (CYP450)-abhängige Metaboliten oder mitochondriale Signale reguliert werden kann, die alle Angriffspunkte von Kohlenmo-noxid (CO) sind. CO hat in den letzten Jahren trotz seiner bekannten toxischen Eigenschaften immer mehr an Bedeutung als mögliches Therapeutikum gewonnen. Endogen wird CO durch die Hä-moxygenase während des Abbaus von Hämproteinen produziert und es können ihm antioxi-dative, antiinflammatorische, antiproliferative, antiapoptotische und vasoregulatorische Ei-genschaften zugeschrieben werden. So kam es in den letzten zwei Dekaden zur Entwicklung sogenannter Carbon Monoxide-Releasing Molecules (CORMs), die im Stande sind, kleinere, kontrollierte Mengen an CO freizusetzen. In der Lunge scheinen CO und die CORMs der Entstehung einer pulmonalen Hypertonie (PH) entgegenzuwirken. Der direkte Effekt von CORMs auf die pulmonale Vasoreagibilität und HPV wurde bisher jedoch noch nicht in iso-lierten Lungen erprobt. In dieser Arbeit wurden die Effekte von 10% CO Inhalation und der Applikation der Sub-stanzen CORM-2 und CORM-3 auf den pulmonalen Gefäßtonus unter Normoxie und akuter Hypoxie (1% O2 für 10 min) in isolierten, ventilierten und perfundierten Mauslungen unter-sucht. Dabei wurde gleichzeitig mittels Remissionsspektrophotometrie die Interaktion von CO sowie von CORM-2 mit den pulmonalen Cytochromen erfasst. So konnten Rück-schlüsse auf mögliche Bindungspartner von CO gezogen werden, die im Zusammenhang mit der Regulation des pulmonalen Vasotonus stehen könnten. Inhaliertes CO schwächte sowohl die HPV als auch die durch das Thromboxananalogon U-46619 induzierte Vasokonstriktion ab, nicht jedoch die KCl-induzierte Vasokonstriktion. Im Gegensatz dazu induzierten CORM-2 und CORM-3 in hohen Konzentrationen, die zu einer messbaren in vitro Freisetzung von CO führte, einen kontinuierlichen Anstieg des pulmo-nalvaskulären Tonus, der durch die Anwesenheit von Erythrozyten noch verstärkt wurde. Inhaliertes CO führte zu spektrometrischen Veränderungen, die mit einer Inhibierung von CYP450 vereinbar sind. Im Unterschied dazu konnten während der Applikation von CORM-2 keine spektrometrischen Zeichen einer Blockade von CYP450 detektiert werden. Inhalatives CO in supraphysiologischen Konzentrationen hat einen vasodilatorischen Effekt in der isolierten, ventilierten und perfundierten Lunge und ist mit einer Inhibierung von CYP450 assoziiert. Die Applikation von CORMs in hohen Konzentrationen lösen dagegen eine pulmonale Vasokonstriktion im Modell der isolierten, ventilierten und perfundierten Lunge aus. Weitere Untersuchungen sind nötig, um die Diskrepanz der Ergebnisse zwischen inhalativem CO bzw. in vivo verabreichten CORMs und den CORMs-Effekten in der isolier-ten Lunge zu eruieren.
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    Untersuchungen zur Überlebensfähigkeit von Francisella tularensis ssp. holarctica in Weißwein, Traubensaft und Traubenmost
    (2020) Schellen, Diana Maria Sophia
    Vor dem Hintergrund eines Ausbruches der Tularämie, ausgelöst durch den Verzehr frisch gepressten Traubenmostes, wurde die Überlebensfähigkeit des Erregers Francisella (F.) tularensis ssp. holarctica in Traubensaft, Weißwein und Traubenmost mittels Kontaminations- und Lagerungsversuchen untersucht. Bis dato liegen wenige Erkenntnisse zur Überlebensfähigkeit von Francisella in Lebensmitteln vor. Es gibt keine standardisierte Methode zur Isolierung des Erregers aus Lebensmittelproben. Häufig gelingt die Erregerisolierung nicht. Der Nachweis erfolgt dann über molekularbiologische Methoden, welche keine Aussage über die Lebensfähigkeit des Erregers erlauben. Um das Infektionsrisiko durch die Lebensmittel Traubensaft, Weißwein und Traubenmost besser abschätzen zu können, wurden diese Matrizes in der vorliegenden Arbeit künstlich mit dem Erreger inokuliert und dessen Überlebensfähigkeit für bis zu 42 Tage untersucht. Dazu wurde der Martin-Lewis-Agar (MLA) sowie als Nährbouillon das „Tularemic-(T-)Medium“ verwendet. Um die Sicherheit im Labor zu gewährleisten, wurde weiterhin untersucht, ob sich während der Gärung kontaminierten Traubenmostes erregerhaltiges Aerosol bildet. Die Untersuchungen mittels quantitativer Polymerasekettenreaktion (qPCR) erfolgten nach der Amtlichen Methodensammlung „Tularämie“ des Friedrich-Loeffler-Institutes (FLI) (2014), die auf dem Protokoll nach Versage et al. (2003) basiert. Als Grundlage zur Detektion von Erregerzellen, die sich im lebensfähigen, aber nicht kultivierbaren Status (engl.: viable-but-non- culturable; VBNC) befinden, wurde eine qPCR mit langem Amplikon (engl.: long amplicon; LA) (LA-qPCR) entwickelt, welche zukünftig mit dem Einsatz der DNA-interkalierenden Substanz Propidium-Monoazid (PMA) kombiniert werden könnte (PMAqPCR). Insgesamt wurden 176 Proben in Kontamination- und Lagerungsversuchen untersucht und miteinander verglichen, davon 65-mal Weißwein, 64-mal Traubensaft und 47-mal Traubenmost. Als Inokula dienten neun F. tularensis ssp. holarctica-Wildtypstämme, die in unterschiedlichen Zusammensetzungen („Pool“) berücksichtigt wurden. Aus Sicherheitsaspekten wurde auch die Möglichkeit einer Laborinfektion einbezogen, insbesondere bezüglich der Gärungsversuche mit Traubenmost. Es konnte gezeigt werden, dass während der Gärung unter Laborbedingungen kein Erreger-haltiges Aerosol gebildet wurde. Erstmalig (!) können für Francisella tularensis Subspezies holarctica Angaben zu Halbwertzeiten (HWZ) in Lebensmitteln vorgelegt werden. Francisella-Populationen starben in Weißwein, je nach Zusammensetzung der Poole, mit HWZ von 4,4 h bzw. 6,96 h ab. Nach sieben Tagen konnten die ursprünglich in einer Größenordnung von ca. 107 Kolonie-bildenden Einheiten pro Milliliter (KbE/ml) zugesetzten Francisellen nicht mehr nachgewiesen werden. Insgesamt konnte also eine Reduzierung um sieben Zehnerpotenzen (Log-Einheiten) innerhalb einer Woche gefunden werden. In Traubensaft ebenso wie in Traubenmost zeigte sich eine zweiphasige Absterbekinetik. Einer ersten Phase beschleunigten Absterbens schloss sich eine retardierende Phase an. Beim Traubensaft lagen die HWZ bei 13,5 h bzw. 47 h. Es konnte eine 6-Log-Reduzierung innerhalb von sechs Wochen ermittelt werden. Bei Traubenmost ergab sich eine HWZ von 11,7 h in der ersten und von 61 h in der zweiten Phase. Es wurde eine 5-Log-Reduzierung innerhalb von drei Wochen festgestellt. Für die erste Woche ergab sich eine 4-Log-Reduzierung. MLA erwies sich als Medium der Wahl für die Anzüchtung von Francisella. Das T-Medium erwies sich für die Anzüchtung von vorgeschädigten Francisella-Zellen aus Weißwein als nicht geeignet. Es ist zu vermuten, dass im Sinne der Hürdentechnologie der Alkohol- und Säuregehalt zu einer Schädigung der Francisella-Zellen führt, die sich somit einer kulturellen Anzüchtung im Flüssigmedium entziehen. Da die Anzucht von Francisella schwierig und zudem zeit- und materialintensiv ist, besteht weiterhin Bedarf an einer kulturunabhängigen Schnellmethode zum Nachweis von F. tularensis spp., die auch eine Identifizierung von Zellen im VBNC-Status ermöglicht. Als Grundlage dafür könnte die in der vorliegenden Arbeit entwickelte LA-qPCR mit einer Amplikonlänge von 239 Basenpaaren dienen. Basierend auf den eigenen Untersuchungen kann davon ausgegangen werden, dass Weißwein und Traubensaft kein Risiko hinsichtlich einer Infektion durch F. tularensis ssp. holarctica darstellen. Im Gegensatz dazu stellt frisch gepresster Traubenmost eine Gefährdungsquelle dar. Auf entsprechenden Konsum sollte daher verzichtet werden.
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    Einfluss des Plasma-Volumen-Status auf die T1-Relaxationszeit und die Bedeutung für deren prognostische Vorhersagekraft
    (2024) Hausmann, Carla Sophie
    Die T1-Relaxazionszeit ist ein wichtiger Parameter der kardialen MRT, der zur Charakterisierung von Gewebe beiträgt. Der errechnete Plasma-Volumen-Status (PVS) ermöglicht es, das Plasmavolumen von PatientInnen einzuschätzen. Ziel der vorgelegten Studie war es, den Zusammenhang zwischen der T1-Relaxationszeit und dem PVS in einem großen PatientInnenkollektiv zu untersuchen und eine Aussage über die prognostische Vorhersagekraft beider Werte zu treffen. Hierzu wurde die native T1-Relaxationszeit von 1409 PatientInnen im Rahmen einer kardialen MRT in der Kerckhoff-Klinik Bad Nauheim erhoben. Die in die Studie eingeschlossenen PatientInnen wurden gewogen. NT-proBNP und Hämatokrit wurden gemessen. Ein Jahr nach der kardialen MRT-Untersuchung wurde der kombinierte Endpunkt, definiert als Tod kardiovaskulärer Ursache, Auftreten eines akuten Myokardinfarktes, eines Schlaganfalls, einer transitorischen ischämischen Attacke, einer Dekompensation der Herzinsuffizienz, einer Hospitalisierung wegen Herzinsuffizienz oder wegen instabiler Angina pectoris, eine durchgeführte perkutane koronare Intervention und eine durchgeführte koronare Bypass-Operation, erhoben. Der PVS wurde anhand von NT-proBNP in der Kohorte validiert. Es zeigte sich eine schwache, aber zuverlässige Korrelation zwischen T1-Relaxationszeit und PVS (p < 0.001, β = 0.15). Die T1-Relaxationszeit korrelierte, trotz des Einflusses des PVS auf diese, signifikant mit dem Eintreten des kombinierten Endpunkts (p < 0.001, Hazard Ratio=1.005). In der multivariaten Analyse war die native T1-Relaxationszeit unabhängig vom PVS prädiktiv. Die hier nachgewiesene prognostische Vorhersagekraft der T1-Relaxationszeit steht im Einklang mit der aktuellen Studienlage. Der PVS, der in dieser Arbeit als mögliche konfundierende Variable untersucht wurde, konnte als solche ausgeschlossen werden. Entsprechend zeigt diese Arbeit, dass die T1-Relaxationszeit, obwohl sie durch den PVS beeinflusst wird, eine verlässliche prognostische Vorhersagekraft besitzt.
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    Biomarkerdiagnostik der reversiblen pulmonalen Hypertonie und Rechtsherzinsuffizienz – Die inoperable chronisch thromboembolische pulmonale Hypertonie (CTEPH) als Modell
    (2022) Kriechbaum, Steffen Matthias Daniel
    Die PH geht mit einer sekundären Rechtsherzbelastung einher, die bei Persistenz in eine chronische Rechtsherzinsuffizienz mündet. Diese Rechtsherzinsuffizienz ist sowohl die führende Determinante der Krankheitsschwere als auch der entscheidende Prognoseprädiktor. Ein exaktes diagnostisches Monitoring der hämodynamischen und kardialen Veränderungen im Kontext der PH ist deshalb essentiell für eine optimierte Patientenversorgung. Die hier vorgelegte kumulative Habilitationsschrift stellt die inoperable CTEPH zur Aufarbeitung der chronischen, aber reversiblen PH und der assoziierten Rechtsherzinsuffizienz vor. Dabei fokussierte sich die Arbeit auf die diagnostische Erfassung der (Mal-)Adaptations- und Regenerationsprozesse durch die Bestimmung nicht-invasiver Biomarker. In den Publikationen 1 bis 7 wurde die diagnostische Anwendung verschiedener Biomarker zur Darstellung kardialer und extrakardialer Prozesse im Kontext der CTEPH untersucht. Der Fokus lag auf der Erfassung von kardialen (Mal-)Adaptations- und Regenerationsprozessen. In Publikation 1 konnte an Hand der Dynamik des Biomarkers NT-proBNP erstmalig die sukzessive und nach Therapie anhaltende hämodynamische Entlastung des rechten Herzens unter einer sequentiellen BPA Therapie gezeigt werden. In Publikation 2 konnte erstmalig die Dynamik des hs-cTnT im Rahmen einer sequentiellen BPA-Therapie gezeigt werden. Der sukzessive Rückgang der Serumspiegel zeigt den Rückgang der chronischen, subklinischen Myozytenschädigung, einem weiteren Mechanismus der rechtskardialen Maladaptation. In Publikation 3 wurde die Dynamik von MR-proANP und Copeptin als Indikatoren für eine progressive Beeinträchtigung der systemischen Hämodynamik im Kontext der CTEPH-Therapie untersucht. Während Copeptin keine diagnostische Wertigkeit zeigte, konnte eine starke Assoziation der MR-proANP Spiegel zur Krankheitsschwere vor Therapie und dem Therapieerfolg gezeigt werden. In Publikation 4 wurde erstmalig die Anwendung der Biomarker sST2, GDF-15 und Galectin-3 als Indikatoren der Krankheitsschwere und Therapieeffekte bei CTEPH untersucht. Es handelt sich dabei um Biomarker mit einer Assoziation zu inflammatorisch-fibrosierenden Gewebeumbauprozessen. Während Galectin-3 keine diagnostische Wertigkeit aufwies, zeigten sich sST2 und GDF-15 bei Patienten/-innen mit fortgeschrittener Krankheitsschwere deutlich erhöht und stärken damit die Hypothese einer Beteiligung inflammatorisch-fibrosierender Gewebeumbauprozesse an der Pathophysiologie der CTEPH. Ein weiterer Biomarker mit Assoziation zu inflammatorischem, insbesondere vaskulärem, Gewebeumbau ist das PAPP-A. In Publikation 5 konnte erstmalig die Expression von PAPP-A und dessen Dynamik bei Patienten/-innen mit einer CTEPH unter einer spezifischen Therapie gezeigt werden. Auch wenn die diagnostische Wertigkeit wegen fehlender Assoziation zu den etablierten diagnostischen Zielgrößen, zum aktuellen Zeitpunkt unklar ist, stützen die Resultate die Hypothese einer Beteiligung inflammationsgetragener Remodelingprozesse bei CTEPH. In Publikation 6 konnte die sukzessive Verbesserung der renalen Funktion bei CTEPH-Patienten/-innen unter eine BPA Therapie, gemessen an renalen Biomarkern gezeigt werden. Die Befürchtung, die wiederholten Kontrastmittelapplikationen könnten insbesondere in diesem Kollektiv mit einem erhöhten Risiko eines akut-auf-chronischen Nierenversagens und einer dauerhaften Verschlechterung der Nierenfunktion einhergehen, bewahrheitete sich nicht. Die Rechtsherzfunktion stellt die zentrale diagnostische und therapeutische Zielgröße der CTEPH dar. Publikation 7 untersuchte den Ansatz, CTEPH-Patienten/innen mit einer fortgeschrittenen Rechtsherzinsuffizienz vor Therapie und solche mit mangelnder Regeneration der Rechtsherzfunktion unter einer spezifischen Therapie mittels nichtinvasiven Biomarkern zu identifizieren. Insbesondere die natriuretischen Peptide NT-proBNP und MR-proANP zeigten hierbei eine starke diagnostische Performance. Die Publikationen im zweiten Abschnitt dieser Habilitationsschrift (Publikation 8 - 10) fokussieren sich auf die diagnostische Anwendung von Belastungsdiagnostik zur Erfassung pathologischer Veränderungen der pulmonalen Hämodynamik. Publikation 8 zeigte erstmalig den erfolgreichen Einsatz des eRHK als Diagnostikum zur Evaluation einer schweren Mitralklappeninsuffizienz und dem Ansprechen auf eine interventionelle Therapie. Publikation 9 zeigt die erste Anwendung des eRHK bei CTEPH-Patienten/-innen vor und nach einer BPA-Therapie. Die Ergebnisse illustrieren, dass eine Normalisierung der hämodynamischen Zielgrößen in Ruhe nicht gleichbedeutend mit einer normalisierten Hämodynamik nach Therapie ist. Das Resultat, dass alle Patienten/-innen nach Therapie, insbesondere auch solche mit einer normalisierten Ruhehämodynamik, eine Belastungs-PH aufwiesen, motiviert zum routinemäßigen Einsatz von Belastungsdiagnostik zur Erfassung der wahren Krankheitsschwere bei CTEPH. Ein gänzlich neuer Ansatz ist die Messung kardialer Biomarker unter körperlicher Belastung zur unmittelbaren Abbildung hämodynamischer Veränderungen unter Belastung. In Publikation 10 konnte erstmalig die Dynamik des MR-proANP und des RAP unter körperlicher Belastung beschrieben werden. Die Dynamik des MR-proANP präsentierte sich als starker Indikator für eine pathologische Erhöhung des RAP unter Belastung und damit als Indikator eines belastungsinduzierten Rechtsherzversagens. Zusammenfassend konnte in dieser Habilitationsschrift die CTEPH als reversible Form der PH mit reversiblem assoziiertem Rechtsherzversagen beschrieben werden. Die Arbeit präsentiert nichtinvasive Biomarker als diagnostisches Werkzeug zur Erfassung (mal-)adaptiver und regenerativer (kardialer) Prozesse im Rahmen der CTEPH.
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    Silver-bismuth double perovskite semiconductors: variations on a theme
    (2024) Schmitz, Fabian
    Lead-halide perovskites (LHPs) have experienced tremendous development within 15 years from their first report as light harvesters in solar cells until today, in which their power conversion efficiency has been gradually improved from 3.8% to 26.1%. These high efficiencies in combination with their easy and low-cost processability as thin films make them a potential alternative to conventional silicon-based solar cells. However, compared to the latter they possess a low environmental stability and pose an environmental and human health hazard due to their lead content. While the stability has been gradually improved by extensive chemical engineering and encapsulating techniques, the toxicity aspect can only be tackled by substituting lead. Cs2AgBiBr6 is such a material – which this dissertation revolves around - in which lead is substituted by equal amounts of silver and bismuth, thus named double perovskite, which is characterized by high environmental stability and low toxicity. This dissertation can be divided into two main topics: The tuning of absorption and emissive processes in Ag-Bi double perovskites via structural engineering and the investigation and improvement of hole transport material (HTM)-free Cs2AgBiBr6 solar cells. The first topic covers two different approaches to influence the emission of Ag-Bi double perovskites. On the one hand, Cs2AgBiBr6 was doped with the lanthanides Eu3+ and Yb3+, resulting in two new emission features: A weak emission from dopant-introduced trap states (Eu3+) and strong emission due to an efficient energy transfer towards the dopant (Yb3+), respectively. On the other hand, Cs2AgBiBr6 has been dimensionally reduced to create monolayered 2D perovskites which enlarges the material’s bandgap and introduces new characteristic emission. Regarding the second topic, HTM-free Cs2AgBiBr6 solar cells have been prepared using ultrasonic spray-coating to deposit electrodes that consist of carbon black, won from upcycled industry waste. Thus, this approach represents an end-of-waste strategy to fabricate “green” solar cells. To further improve these devices, the surface of the Cs2AgBiBr6 thin films has been modified to create 2D/3D mixed phases. The 2D/3D modification improves the perovskite’s band alignment towards the back electrode and theoretical calculations further suggest that it reduces the defect concentration close to the perovskite/electrode interface. Accordingly, the application of the 2D/3D modification represents a valuable alternative to HTMs for Cs2AgBiBr6 solar cells that utilize carbon-based electrodes.
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    Embryonale Stammzellen als Modellsystem für Infektion und Entzündung
    (2024) Scharmacher, Jennifer
    In dieser Arbeit wurde der Einfluss von LPS auf inflammatorische Prozesse in Geweben aus ES der Maus untersucht. LPS sorgt innerhalb der EBs für eine signifikante Zunahme der Schlagfrequenz, ohne dabei die muskuläre Struktur der Kardiomyozyten zu verändern. Es konnte gezeigt werden, dass durch Inkubation mit LPS, Parameter wie ROS und NO in den EBs hochreguliert wurden. Anhand des NADPH-Oxidase Inhibitors Vas 2870 und Western-Blot Analyse konnte nachgewiesen werden, dass die ROS Quelle hauptsächlich die NOX 2 Isoform der NADPH-Oxidase ist. NOX 1 und NOX 4 wurden zwar auch verstärkt exprimiert, scheinen aber eine eher untergeordnete Rolle zu spielen. Durch den TLR 4 Inhibitor Tak-242 konnte gezeigt werden, dass NOX 2 in den LPS behandelten EBs signifikant zur Kontrolle herunterreguliert wird. Dies beweist eine Involvierung des TLR 4 Signalwegs in die LPS-induzierten Veränderungen des intrazellulären Redoxmilieus. Es ist bekannt, dass LPS über verschiedene Signalwege auch die NO-Synthasen stimuliert. In den EBs zeigte sich LPS-vermittelt eine erhöhte NO-Produktion. Eine gesteigerte Expression der p-eNOS und eNOS in den EBs wurde via Western-Blot nachgewiesen. Durch die Koinkubation mit Tak-242 wurde die NO-Generierung in den EBs nahezu gänzlich inhibiert. Weiterhin wurden durch die Koinkubation mit LPS, Makrophagen und andere aktivierte Immunzellen signifikant stärker differenziert. Es konnte zudem eine gesteigerte Expression des NLRP 3-Inflammasoms gezeigt werden, jedoch wurde hier kein signifikanter Unterschied zwischen kardialen und nicht kardialen Bereichen der EBs gefunden. Weiterhin kam es zu einer signifikant höheren Expression des proinflammatorischen Zytokins IL 1β. Tak-242 inhibierte die IL 1β-Expression in den LPS behandelten EBs, außerdem die LPS-induzierte Kontraktionsfrequenz der kardialen Zellen. Dies beweist die Involvierung des TLR 4 Signalwegs in die beobachteten inflammatorischen Vorgänge in EBs und die Veränderungen der Kardiomyozytenfunktion.
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    Computational models of rodent hippocampal nerve cells focusing on their morphology, excitability and function
    (2023) Mittag, Martin
    The nerve cells in the mammalian brain come in various shapes and sizes. They constitute a complex system emerging from a complicated interplay of biophysical principles. Functionally, they can be compared to a computing unit transferring input into useful output, leading ultimately to cognitive functions or behaviour. This processing of information is called the input-output (IO) function of a neuron. The focus of this dissertation is on the particular IO function of hippocampal neurons, their underlying structure (morphology) and their intrinsic mechanisms (ion channels). In order to study these nerve cells, computational models offer the advantage of disentangling the involved biophysical mechanisms and their functional effects in a controlled manner. Therefore, I implement biologically realistic computational models of hippocampal neurons to simulate their IO function in several major, complementary \textit{in silico} investigations.Initially, using detailed neuron models that include active ion channels and other dendritic non-linearities, I demonstrate that the neural IO function can be invariant even when the stimulated dendrites of the nerve cells show vastly different morphological structures and sizes. These results reveal a general principle called accordingly "dendritic constancy". Notably, the dendritic constancy principle can have important clinical implications for neurological diseases. For example, it has been suggested that morphological alterations lead to the concurrent increase in excitability of principal hippocampal nerve cells during Alzheimer’s disease (AD). However, in line with the dendritic constancy principle, I show that the dendritic remodeling in AD cells is likely a homeostatic mechanism to maintain the cell IO function and information flow. The simulations instead reveal, that other intrinsic (ion channels) and extrinsic mechanism modifications lead to the excitability increase observed in AD cells in a multi-causal manner. Finally, various expressions of underlying ion channels cannot only affect the altered, pathological behaviour but potentially result in an optimised IO function and information processing. For instance, hippocampal granule cells (GCs) are believed to convert similar inputs into dissimilar outputs (pattern separation) while using as little energy as possible. The findings in this thesis reveal that the experimentally validated GC model seems to be close to optimal among a population of random, but valid, GC models with different ion channel expressions for the simultaneous performance of pattern separation and economy. In summary, by applying computational models in this dissertation I uncover a relationship between the underlying structure and ion channels of various nerve cells and their IO function.
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    Maximizing information content of SNP arrays for genomic prediction
    (2023) Weber, Sven Ernst
    Genomic prediction is a promising tool for improving genetic gains in various crops, serving as a valuable tool for plant breeders. SNP arrays are the preferred genotyping tool for breeders of most major crops, however the limited predefined marker number associated with SNP arrays has the potential to impede achievable prediction accuracy in genomic prediction. The objective of this study was to evaluate cost-effective methods for maximizing the information content of SNP arrays. Three methods were explored and their information content was assessed using prediction accuracies from six genomic prediction models across diverse crops and agronomic traits. Independently of the method used to increase the information content of SNP arrays, the applied genomic prediction models consistently demonstrated similar performance in terms of prediction accuracy within traits, making them equally suitable for genomic prediction across a variety of crops and traits. The first method to maximize the information content of SNP arrays involved constructing haplotype blocks with various methods and parameters and utilizing their haplotypes for genomic prediction. Analyzing data from rapeseed, maize, wheat and soybean in genomic prediction models revealed only marginal improvements in genomic prediction accuracy across most traits. Notably, haplotype blocks demonstrated effectiveness in compensating for poorly performing models in scenarios with highly variable prediction accuracies across prediction models. Nevertheless, the absence of a consistent ideal method or parameter for constructing haplotype blocks makes them a hyperparameter requiring careful tuning. Furthermore, failed allele calls from SNP arrays were examined for their information content in genomic prediction of agronomic traits in maize and rapeseed. Two statistical pipelines were developed and tested to filter non-random failed allele calls from random technical errors. Surprisingly, failed allele calls, potentially originating from genome structural variants, exhibited prediction accuracies comparable to genome-wide SNP datasets. However, the combination of SNPs and failed allele calls did not enhance genomic prediction. As an alternative to whole-genome sequencing marker data, imputation of whole-genome sequencing marker data from SNP arrays was explored. While there was a considerable improvement in LD and marker density, no increase in prediction accuracy was observed. This can likely be attributed to erroneous haplotypes and marker calls resulting from imputation errors. A suitable hypothesis to explain this observation is that these errors are introduced by the high complexity and redundancy of crop plant genomes. Across all three methods, relationships emerged as an explanation for the lack of improvement in genomic prediction accuracy. Relationship estimates exhibited a high correlation between those obtained from SNP array data and methods to increase the information content of SNP arrays, contributing predominantly redundant information. Moreover, it can be assumed that markers on arrays generally exhibit sufficient LD with adjacent QTL. In conclusion, SNP arrays were proven to be a reliable genotyping technology, offering a representative sample of the genome for estimating relationships. Furthermore, this study reaffirms the potential of genomic prediction as a breeding tool to improve genetic gain in several crops.
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    Molecular diversity and antimicrobial susceptibility of Streptococcus equi ssp. equi isolates from equines
    (2023) Rotinsulu, Dordia Anindita
    Streptococcus equi subspecies equi (See) is the causative agent of strangles, a highly infectious disease of equines worldwide. This study utilized various molecular typing methods, including analysis of whole genome sequence (WGS) data, to enlighten the phylogenetic relationships of See isolates obtained from equines in Germany and other countries, as well as to examine the associations between genotype, virulence-associated genes (VAGs), and epidemiological data. Additionally, antimicrobial susceptibilities, biofilm formation in vitro, and the relationship between genotype and biofilm formation were investigated. This study examined 628 non-duplicate putative S. equi isolates obtained from equines between 2001 and 2020, which were confirmed by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) as See (n = 265) and Streptococcus equi subspecies zooepidemicus (Sez) (n = 363), respectively. A published Se-mPCR successfully detected the sodA gene in all tested isolates and confirmed their assignment to the species S. equi. All but one isolates identified as See by MALDI-TOF MS (99.2 %) also harboured the See signature locus ICESe2, while none of them carried the ICESz1 locus of Sez. In contrast, only 44.6 % of the Sez isolates harboured the respective PCR target ICESz1. Among the 265 See isolates, analysis of their seM gene revealed a total of 47 different alleles, including 30 novel ones. The seM-9 allele was the most prevalent (87.9%). Multilocus sequence typing (MLST) of 191 See isolates selected for whole genome sequencing confirmed a low phylogenetic diversity of See since only two highly related sequence types (STs) were detected: ST-151 (73.8 %) and ST-179 (26.2 %). The core genome MLST (cgMLST) analysis exhibited 159 core genome (cg)-geno¬types affiliated with three globally recognized BAPS clusters of See: BAPS-2 (94.8 %), BAPS-5 (4.7 %), and BAPS-6 (0.5 %). Spatial-temporal analysis of See isolates from Germany identified some phylogenetically closely related or identical strains within clusters and beyond, suggesting modern horse transportation promotes the distribution of See strains. Comparison of the cgMLST results with those publicly available for 759 other See isolates from around the world revealed that all genotypes of this study fit perfectly into the general phylogenetic tree of See, supporting the hypothesis of a common See ancestor strain and global expansion of its descendants since the late 19th or early 20th century. In silico screening of WGS data from See isolates for known virulence-associated genes (VAGs) revealed 38 VAGs consistently present in all 191 tested isolates, with an additional 29 VAGs occurring only in 5 % to 99 % of the isolates. Differences in VAG combinations made it possible to distinguish 107 virotypes. The study also revealed that all antigens used in the commercial Strangvac® vaccine were highly-conserved in the investigated See isolates, suggesting the efficacy of Strangvac® against the See strains represented. All See isolates proved susceptible to tested beta-lactam antimicrobials, including penicillin G. Thus, penicillin G can be recommended as the first-line antimicrobial for strangles cases where antimicrobial therapy is clinically indicated. Biofilm assays indicated enhanced or diminished biofilm formation by certain See STs and seM allele groups, respectively, implying a role for the SeM protein in biofilm assembly in vitro.
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    Sperm morphology and motility in men: Investigations of defective male germ cell differentiation
    (2023) Kothalawala, Shashika Dinethri
    Abnormalities in transcriptional expression and translational modifications during spermatogenesis can lead to defective sperm morphology and motility that contribute to approximately 80% of male infertility cases. Both RNA sequencing (RNAseq) and mass spectrometry (MS) are powerful tools to identify differentially expressed genes (DEG) and proteins (DEP) that are altered in these pathological conditions. This thesis aimed to identify DEG in normal and impaired spermatogenesis, and DEP in normal and phenotypically abnormal human spermatozoa, to elucidate new mechanisms contributing to human sperm development and function. Testis biopsies from men were classified as normal spermatogenesis (NSP), spermatid arrest (SDA, lack of elongated spermatids and spermatozoa), or Sertoli cell only (SCO, lack of all germ cells) (n=2-3 per group) and subjected to RNAseq. DEGs were filtered based on predominant expression in spermatids and functional gene annotations relevant to sperm morphology and motility. Of these, 10 DEGs were validated by qRT-PCR and the localisation of two proteins was determined in testis biopsies by immunohistochemistry (IHC). Secondly, human ejaculates classified as normozoospermia (NORM, n=3) or asthenoteratozoospermia (defective morphology and motility, AT, n=3) were subjected to MS. Proteins selected through in silico analysis were examined by IHC in testicular biopsies and protein changes between AT vs NORM verified by quantitative Western blotting (qWB). Finally, importin 4 (IPO4) was selected for further investigation and identification of its potential cargos (ASF1B and TNP1) using dual-label immunofluorescence (IF). Out of 10 DEG with potential roles in sperm morphology and/or motility, six (SPATA31E1, TEKT3, SLC9C1, PDE4A, CFAP47, and TNC) were identified as novel, human spermatid-enriched genes. IHC revealed localisation of ORAI1 and SPATA31E1 in developing human germ cells, with SPATA31E1 enriched in late spermatocytes and spermatids. 35 DEP were identified between AT and NORM sperm by MS. Through in silico analysis, five candidates were selected for further investigation. MS data showed IPO4, ELSPBP1, and IFT57 were higher abundance 6 in AT whereas CCDC105 and ACTRT2 were lower. IHC revealed their localisation in human germ cells (ACTRT2, IPO4, IFT57, CCDC105) with a predominant localisation of ACTRT2, IPO4 and IFT57 in round/elongated spermatids. ELSPBP1 was identified as an epididymal-specific protein suggesting its sperm binding ability could occur in a phenotype-dependent manner during post-testicular maturation. qWB on a different set of ejaculates did not reveal statistically significant differences for ACTRT2, ELSPBP1, and IFT57 between AT and NORM. IHC/IF analysis of IPO4 showed its localisation in the Golgi apparatus, acrosome of round spermatids, and elongating spermatid nuclei. IPO4-ASF1B co-localisation was observed in the developing human acrosome in round spermatids and IPO4-TNP1 in step 3-5 spermatid nuclei, suggesting IPO4’s potential role in cargo transportation, acrosome biogenesis and spermatid nucleus condensation. In conclusion, both transcriptomic and proteomic strategies discovered novel candidate genes and proteins likely involved in human sperm morphology and motility. Further investigation will reveal their functional properties that maintain normal sperm function. Furthermore, these genes/proteins are candidates for future studies that aim to define new diagnostic markers for the differentiation of obstructive and non obstructive azoospermia and identify new targets for male contraception.
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    Wall-Motion-Tracking in der fetalen Echokardiographie – Anwendung niedriger und hoher Bildraten in der Strain-Analyse
    (2023) Rostock, Laura
    Zielsetzung: Um eine präzise Dehnungsanalyse mittels Speckle-Tracking-Echokardiographie durchzuführen, sind aufgrund erhöhter fetaler Herzfrequenzen im Vergleich zu Erwachsenen höhere Bildraten erforderlich. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von hohen vs. niedrigen Bildraten (FR) auf die Dehnungsanalyse im 2D Speckle Tracking zu prüfen. Methoden: Im Rahmen einer prospektiven Studie wurden bei der fetalen Echokardiographie apikale oder basale Vierkammerblicke des fetalen Herzens erfasst. Die Bilder wurden optimiert, um eine klare Abgrenzung der Myokardwände zu ermöglichen, und im DICOM-Format (Digital Imaging and Communications in Medicine) mit einer Bildrate von 60 Bildern pro Sekunde (fps) für die Offline-Analyse oder in der ursprünglichen akustischen Bildrate (AFR) gespeichert. Mittels 2D Wall-Motion-Tracking-Technologie wurden die Werte der fetalen longitudinalen systolischen Spitzendehnung (LPSS) des linken (LV) und rechten (RV) Ventrikels für jeden Herzzyklus bestimmt. Ergebnisse: 103 gesunde Feten mit einem mittleren Gestationsalter von 26,3 ± 5,5 SSW wurden in die Studie aufgenommen. Die mittlere akustische Bildrate (AFR) lag bei 127 ± 26 fps. Das mittlere FR/HR-Verhältnis lag bei 0,42 bzw. 0,90 zwischen der Gruppe mit niedriger Bildrate und akustischer Bildrate. Die LPSS-Werte zeigten einen signifikanten Unterschied zwischen der DICOM- und der AFR-Gruppe für beide Ventrikel (LV: -16,5% ± 3,9% (DICOM-Bildrate) vs. -13,6% ± 3,5% (akustische Bildrate) und RV: -15,1% ± 3,6% (DICOM-Bildrate) vs. -12,6% ± 3,7% (akustische Bildrate), beide p < 0,001). Schlussfolgerungen: Die fetalen LV- und RV-LPSS-Werte, die mit hoher akustischer Bildrate abgeleitet wurden, waren signifikant niedriger als die entsprechenden LPSS Werte, die im DICOM-Format mit 60 fps bestimmt wurden. Im Rahmen zukünftiger Studien sollte nun die klinische Relevanz dieser Beziehung überprüft werden.
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    Simulation der retrograden Kanülierung während extrakorporaler Unterstützung im hydraulischen Kreislaufsimulator
    (2023) Gehron, Johannes
    Die extrakorporale Unterstützung (ECLS) ermöglicht beim akuten Herzversagen eine kardiopulmonale Unterstützung und hämodynamische Stabilität. Die Kollision beider gegenläufigen nativen und extrakorporalen Flüsse führt aber zu einer Wasserscheide in der Aorta mit erhöhter linksventrikulärer Nachlast. Eine pulmonale Gasaustauschstörung resultiert außerdem bei verbleibender linksventrikulärer Aktivität in einer inhomogenen Sauerstoffanlieferung mit reduzierter Sauerstoffversorgung der Endorgane. Eine thorakale Position der arteriellen Kanüle könnte die Wasserscheide proximal verschieben und so die Sauerstoffanlieferung der supraaortalen Äste erhöhen. Auswirkungen auf die linksventrikuläre Mechanik und pulmonale Funktion sind nicht bekannt. Mit einer zweistufigen experimentellen Studie wurde die hydrodynamische Leistung längerer arterieller Kanülen bewertet und mit einer In-vitro-Simulation die Auswirkungen verschiedener aortaler Kanülenpositionen auf die kardiovaskuläre Flussdynamik untersucht. Druckabfall, Turbulenzentwicklung und Energieverlust langer arterieller Kanülen wurden mit einer hydrodynamischen Testkammer bewertet. Die kardiovaskuläre Strömungs-dynamik wurde mit einem Modellkreislauf getestet, der aus zwei aortalen und venösen Gefäßmodellen bestand, die an ein ECLS-System mit femoraler Kanülierung konnektiert waren. Vier Stufen des Herzversagens und der entsprechenden extrakorporalen Unterstützung (kardiogener Schock, frühe und späte Erholung, Entwöhnung) wurden mit einer iliacalen, abdominalen und thorakalen Kanülenposition in der Aorta kombiniert. Die kardiovaskuläre Flussdynamik umfasste die Messung der aortalen Flussverteilung, der Flussgeschwindigkeit, der Druckänderungen und der Druckvolumenschleifen zur Beschreibung der Herzmechanik. Obwohl eine längere Kanüle zu einem erhöhten Druckabfall führte, waren Turbulenzentwicklung und Energieverlust akzeptabel. Eine thorakale Kanülenposition erhöhte signifikant den Anteil des ECLS-Flusses in den supraaortalen Ästen, erhöhte aber auch den linksventrikulären enddiastolischen sowie den pulmonalvenösen Druck. Der positive Effekt einer proximal verschobenen Wasserscheide durch eine thorakale Kanülenposition könnte mit einer höheren Sauerstoffzufuhr in den supraaortalen Ästen zusammenhängen und die ECLS-assoziierte Mortalität und Morbidität deutlich beeinflussen. Die verbesserte Flussverteilung im Oberkörper geht jedoch mit einer erhöhten linksventrikulären Nachlast und höheren Füllungsdrücken einher. Der höhere pulmonalvenöse Druck kann mit einer verstärkten pulmonalen Stauung verbunden sein. Klinisch muss sorgfältig abgewogen werden, ob eine verbesserte Sauerstoffversorgung eine erhöhte ventrikuläre Nachlast und pulmonale Stauung rechtfertigt.
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    Wirkeffekte multimodaler rheumatologischer physikalischer Behandlung
    (2022-01-12) Klemm, Philipp Christof Moritz
    Die dargestellten eigenen Arbeiten sind im Fach Innere Medizin, Rheumatologie und Physikalische Medizin verfasst und können in drei sich thematisch entwickelnde und ergänzende Abschnitte eingeteilt werden. Die Arbeiten und ihre Limitationen werden innerhalb dieser Teilstücke zusammenhängend diskutiert, sodass die systematische Vorgehensweise und die stattgefundene wissenschaftliche Entwicklung nachvollzogen werden kann. Die drei Themenschwerpunkte umfassen (i) die erstmalige klinische Analyse der rheumatologischen multimodalen rheumatologischen Komplexbehandlung (MKRB) in einzelnen Kollektiven, (ii) die weiterführende, prospektive Untersuchung zur Wirksamkeit der MRKB und Beeinflussung des pro- und anti-inflammatorischen Zytokinmilieus als mögliches Korrelat der klinischen Wirkung und (iii) die Untersuchung klinischer und molekularer Effekte einzelner physikalischer Therapien und ihres Stellenwertes innerhalb der MRKB.
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    Zeitliche Stabilität von Parametern des Zahnputzvorgangs bei der Instruktion optimal vs. normal zu putzen
    (2023) Sämann, Thorben
    Ziel der vorliegenden Arbeit war herauszufinden, ob die den Zahnputzvorgang beschreibenden Parameter (wie Zahnkontaktzeit, prozentuale Verteilung der Putzzeit auf die Zahnflächen, prozentualer Anteil mit welchem auf Innenflächen vertikal und auf Außenflächen kreisend geputzt wird und die Vollständigkeit der Sextanten an Außen- und Innenflächen mittels QIT-S) bei wiederholter Beobachtung über einen Zeitraum von zwei Wochen und unter der Instruktion wie gewöhnlich oder bestmöglich zu putzen stabil sind. Dazu wurden Studierende (n=111) den beiden Putzinstruktionen zugeteilt und ihr Zahnputzvorgang wurde im Abstand von zwei Wochen mit mehreren Videokameras aufgezeichnet. Die aufgenommen Videos wurden anschließend von kalibrierten Untersucher*innen bezüglich der oben genannten Parameter ausgewertet. Die Analyse der verschiedenen Parameter auf Stabilität erfolgte nach einer Ausreißerkontrolle und verschiedenen Ausschlüssen für 87 Proband*innen mittels Korrelationsberechnungen und für den QIT-S mittels chi2-Tests. Unter der Annahme, dass ein stabiles Verhalten bei einer Korrelation von r > 0,7 vorliegt, zeigten sich nahezu alle Parameter des Zahnputzverhalten als stabil. Lediglich die kreisenden Bewegungen an vestibulären Flächen in der Gruppe der gewöhnlich Putzenden zeigte eine niedrigere Korrelation (r = 0,6). Auch die Betrachtung des QIT-S an vestibulären und oralen Flächen zeigten ein hohes Maß an Übereinstimmung (alle p < 0,05). Es lässt sich also insgesamt festhalten, dass der Zahnputzvorgang ein erlerntes Verhaltensmuster darstellt, welches hochautomatisiert und in nahezu allen Parametern über die Zeit stabil abläuft. Diese Erkenntnis ist wichtig für Ansätze, das überwiegend unzureichende Mundhygieneverhalten der Bevölkerung zu verbessern. Da ein bereits erlerntes Verhalten im Erwachsenenalter schwer zu verändern ist, betonen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit also insbesondere die Wichtigkeit, ein suffizientes Zahnputzverhalten schon im frühen Kindesalter zu etablieren.
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    Aktuelle Herausforderungen bei der Behandlung chronisch niereninsuffizienter Patienten - neurokognitive und immunologische Aspekte -
    (2022-12-22) Karakizlis, Hristos
    Die vorliegende kumulative Habilitationsschrift befasst sich mit den aktuellen Herausforderungen in der Behandlung der chronischen Niereninsuffizienz. Das Hauptaugenmerk liegt auf neurokognitiven und immunologischen Aspekten. Es werden verschiedene bisher vielleicht wenig beachtete Zusammenhänge zwischen Einschränkungen der kognitiven Leistungsfähigkeit und chronischer Niereninsuffizienz, mögliche neue Ansätze und Optionen der Nierentransplantation und nicht zuletzt die Entwicklung der humoralen und zellulären Immunität bei der SARS-CoV-2 Erkrankung auf die neu zugelassenen Impfstoffe untersucht. Kognitive Einschränkungen sind ein wenig beachtetes, aber häufiges Phänomen bei Dialysepatienten. In unserer Studie konnten wir nachweisen, dass 75 % der Patienten unter kognitiven Beeinträchtigungen litten. Bei den Patienten mit einer kognitiven Beeinträchtigung waren alle kognitiven Bereiche betroffen, wobei Depression und niedriger Bildungsgrad einen signifikanten negativen Einfluss auf die Stärke der kognitiven Leistungsfähigkeit aufweisen. Die stärkste Beeinträchtigung der kognitiven Leistung wurde beim unmittelbaren Gedächtnisabruf, die beste Leistung beim Benennen festgestellt. Interessanterweise wurde kein weiterer signifikanter Abfall der kognitiven Leistungsfähigkeit nach einem Follow-up von 1 Jahr in irgendeinem Bereich beobachtet. Die Erstellung eines neurokognitiven Profils ist hilfreich und wichtig, da die Prävalenz von kognitiven Beeinträchtigungen bei Hämodialysepatienten hoch ist. Da Depressionen einen signifikanten Einfluss auf kognitive Beeinträchtigungen haben, ist eine frühzeitige Erkennung unerlässlich, um eine Behandlung in einem frühen Stadium einzuleiten und die kognitive Leistung positiv zu beeinflussen. Wichtig war uns die Erkenntnis, dass der Zeitpunkt der Untersuchungen für die kognitive Leistungsfähigkeit keine Rolle spielt. In unserer Studie konnten wir zeigen, dass der Testzeitpunkt (erste 2 Stunden unter Hämodialyse vs. letzte 2 Stunden unter Hämodialyse vs. hämodialysefreier Tag) keinen Einfluss auf die kognitive Funktion bei Hämodialysepatienten in Routineindikationen hat. Dies hat insbesondere deshalb klinische Relevanz, da die kognitiven Tests als ein Element der Routineuntersuchung von Dialysepatienten während der Visite eingesetzt werden können. Dies gibt uns einen Überblick über die kognitive Funktion der Patienten und kann auch als Verlaufsparameter genutzt werden, um eine mögliche Verschlechterung der kognitiven Funktion frühzeitig zu erkennen. Im Wissen um die kognitiven Beeinträchtigungen bei Dialysepatienten war das Ziel der Folgestudie, das Ausmaß der kognitiven Beeinträchtigung vor und nach der Transplantation zu untersuchen und mit Hilfe von standardisierten neurokognitiven Tests ein eindeutiges Profil der kognitiven Funktion bei Patienten vor und nach der Transplantation zu erstellen. Es sollte außerdem untersucht werden, ob die Verbesserung der Nierenfunktion nach einer Transplantation zu einer Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit führt. Die Ergebnisse unserer derzeit in Rekrutierung befindlichen Studie könnten potenziell wichtige Auswirkungen auf die Prävention und Behandlung kognitiver Beeinträchtigungen bei nierentransplantierten Personen haben. Durch neue Erkenntnisse über das neurokognitive Profil und die Zuordnung der entsprechenden Defizite könnte es möglich sein, ein individualisiertes Trainingsprogramm zu erstellen, um die kognitiven Defizite bei diesen Personen positiv zu beeinflussen. Daneben besteht eine große Herausforderung der Transplantationsnephrologie darin, dem stetig wachsenden Organmangel entgegenzuwirken. Die Nierentransplantation ist nach wie vor die bevorzugte Therapie für Patienten mit terminaler Niereninsuffizienz. Ihr sind jedoch durch den Mangel an Nierenspenden Grenzen gesetzt. Obwohl ein hoher Prozentsatz der Patienten mit funktionierenden Transplantaten stirbt, können viele von ihnen leider nicht als Organspender in Betracht gezogen werden. Die Gründe dafür sind vielfältig. Eine neue Option, um den Pool an Nierenspendern zu erhöhen, wäre die Spende einer zuvor transplantierten Niere an einen neuen Empfänger. Diese Möglichkeit hat bisher wenig Beachtung gefunden und ist entsprechend nur selten durchgeführt worden. Unsere Untersuchung konnte jedoch zeigen, dass die Retransplantation eines Nierentransplantats erfolgreich durchgeführt werden kann, selbst wenn die erste Transplantation lange zurückliegt. Allerdings scheint eine sorgfältige Prüfung der Daten der Spender (Erst- und Zweitspender) erforderlich zu sein, um eine schwere chronische Schädigung auszuschließen. Das Potenzial zur Durchführung solcher Retransplantationen ist aus unserer Sicht noch nicht voll ausgeschöpft. Es sollten daher Anstrengungen unternommen werden, auch solche Spenden in Betracht zu ziehen, und zwar sowohl in den Spenderzentren, um auf ihr Potenzial aufmerksam zu machen, als auch in den Transplantationszentren, um die Akzeptanz dieser Transplantate nach sorgfältiger Prüfung zu erhöhen. Es muss jedoch auch klar sein, dass die oben genannten Punkte aufgrund der geringen Fallzahlen nur zusätzlich zu den anderen vielschichtigen Ansätzen in Betracht gezogen werden können. Im Rahmen der COVID-19-Pandemie wurde schnell bekannt, dass Patienten mit terminaler Niereninsuffizienz aufgrund ihres herabgesetzten Immunsystems und der Komorbiditäten ein deutlich erhöhtes Risiko für die Entwicklung eines schweren Verlaufes einer SARS-CoV-2-Erkrankung haben53-55. Die Entwicklung und Zulassung neuer Impfstoffe hat in der Normalbevölkerung zu einer robusten Impfantwort geführt. Da Dialysepatienten jedoch zum einen durch die Niereninsuffizienz per se und zum anderen durch die Einnahme von z.B. immunsuppressiven Medikamenten mit hoher Wahrscheinlichkeit eine schwächere Immunantwort entwickeln, führten wir Studien zur Messung der humoralen und zellulären Immunität nach der Impfung gegen SARS-CoV-2 durch. Valide Daten waren bis dato für unser Patientenkollektiv noch nicht verfügbar. Die SARS-CoV-2-spezifische zelluläre Immunantwort wurde mit IFN- γ- und IL-2-ELISpot-Assays und die humorale Immunantwort mit einem Dot-Plot-Array und einem chemilumineszenten Mikropartikel-Immunoassay bewertet. Bei der Mehrheit der Dialysepatienten, die geimpft wurden, kam es nach einer Einzeldosis oder einer homologen Zweifachdosis-Impfung zur Entwicklung von Anti- Spike-IgG-Antikörpern gegen SARS-CoV-2, die jedoch 6 Wochen nach der vollständigen Immunisierung schnell abnahmen. Nur etwa 50 % der Patienten entwickelten eine T-Zell-Immunität. Wichtig ist außerdem, dass eine hohe Anti-Spike- IgG-Antikörperantwort mit einer besseren zellulären Immunität assoziiert war und dass die Immunantwort bei Patienten mit durchgemachter COVID-19-Erkrankung deutlich stärker war. Als Schlussfolgerung kann postuliert werden, dass sowohl SARS- CoV-2-naive Dialysepatienten, aber auch Patienten mit durchgemachter COVID-19- Erkrankung von einer dritten Impfstoffinjektion (Booster-Impfung) profitieren können, um die Immunogenität zu optimieren und den Schutz aufrechtzuerhalten. Den Effekt einer solchen Booster-Impfung untersuchten wir in unserer Folgestudie beim selben Patientenkollektiv 6 Monate nach der Grundimmunisierung. Die Immunantwort wurde vor und nach der Auffrischungsimpfung mit dem mRNA- basierten mRNA-1273-(Moderna-Biotech-)Impfstoff getestet (A7)89. Insgesamt deuten unsere Daten auf eine fortschreitende Abnahme der humoralen Immunität und eine anhaltend relativ schwache zelluläre Immunantwort innerhalb von 6 Monaten hin. Die Auffrischungsimpfung ist jedoch geeignet, die humorale Immunität wieder deutlich zu erhöhen. Wir vermuten, dass das Auftreten von SARS-CoV-2-Varianten mit hohem Potenzial zur Immunevasion bei Dialysepatienten eine Auffrischungsimpfung 4–6 Monate nach der Grundimpfung erforderlich machen könnte. Mit Hilfe der bisher erzielten Wissensfortschritte bezüglich der kognitiven Leistungsfähigkeit, Transplantationsmedizin und der Impfansätze bei SARS-CoV2- Erkrankungen bei Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz kann es gelingen, die aktuellen Herausforderungen in der Behandlung der chronischen Niereninsuffizienz für unsere Patienten in Zukunft besser zu meistern.
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    Charakterisierung der Tetraspaninexpression im Synovium von Patienten mit rheumatoider Arthritis
    (2023) Walther, Juliane
    Die rheumatoide Arthritis, eine chronisch-entzündliche Systemerkrankung, verläuft progredient und führt ohne Behandlung zur Zerstörung von Gelenken und letztendlich zur Invalidität [1, 2]. Die Pathophysiologie dieser Erkrankung ist noch nicht umfassend aufgeklärt. Einen wichtigen Prozess für die Progredienz der RA stellt dabei die Ausbreitung auf gesunde Gelenke und Gewebe dar [1]. Solch ein Vorgang ist ebenso bei der Metastasierung von Tumorerkrankungen zu beobachten. Im Rahmen der Tumorforschung wurden daher bereits Tetraspanine hinsichtlich einer Beteiligung im Krankheitsgeschehen untersucht [41]. Mitglieder der Tetraspaninfamilie mit ihrer Fähigkeit, über Tetraspanin-angereicherte Mikrodomänen wichtige Zellvorgänge wie beispielsweise die Signaltransduktion, Zellproliferation und -migration zu regulieren [27, 28, 33, 37–39], zeigten dabei sowohl pro-metastatische als auch hemmende Einflüsse auf Metastasierungvorgänge [41]. Diese Migrationseinflüsse der Tetraspanine könnten auch in der Pathogenese der RA von Bedeutung sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher die Expression der Tetraspanine CD63, CD81 und CD151 im Synovium von Patienten mit RA im Vergleich zur Arthrose untersucht. Immunfluoreszenz-Färbungen wurden für die Tetraspanine etabliert und ein Profil der Verteilungsmuster und Expressionsintensitäten erarbeitet. Es stellte sich eine ubiquitäre Verteilung der drei Tetraspanine in Zellen von lining layer, sublining und Gefäßen dar. Signifikante Unterschiede zwischen RA-Geweben mit Vergleichsgeweben von Patienten mit Arthrose konnten nicht nachgewiesen werden. Während die drei Tetraspanine sich bezüglich der Verteilung zwischen den Arealen lining layer, sublining und Gefäßen nicht unterschieden, konnten bezüglich der Expressionsverteilung innerhalb der Zelle Differenzen zwischen den Tetraspaninen festgestellt werden. CD81 zeigte eine Expression außerhalb des Zellkernbereichs. Für die Tetraspanine CD63 und CD151 konnten weiterhin isolierte Signale der markierenden Antikörper innerhalb des Zellkernbereichs beobachtet werden. Diese Signale fanden sich vereinzelt in allen Gewebearealen und waren besonders bei entzündlichen Infiltraten in nahezu allen Zellen nachweisbar. Eine genauere Lokalisation konnte mittels der durchgeführten Immunfluoreszenz ohne dreidimensionale Darstellung aber nicht erzielt werden. Weitere Erkenntnisse über die Identifizierung der exprimierenden Zellen und die genaue Lokalisation der Tetraspanin-Expression könnten hierbei andere Methoden wie beispielsweise eine konfokale Mikroskopie liefern. Weiterhin wurde die Expression der Tetraspanine CD63, CD81 und CD151 in synovialen Fibroblasten untersucht, welchen eine Schlüsselrolle bei der Progression der RA und der Destruktion von Gelenken zukommt [9, 11]. Durch eine Fibroblastenstimulierung mit proentzündlichen Faktoren sollte ein erster Einblick in das Expressionsverhalten der Tetraspanine ermöglicht werden. Mit einem Stichprobenumfang von je fünf Zellpopulationen für RASF und OASF zeigte sich wie erwartet eine große individuelle Streuung bezüglich der Tetraspanin-Expression zwischen den Populationen, sodass entsprechende oder signifikante Unterschiede schwer nachzuweisen waren. Für das Tetraspanin CD63 ließ sich jedoch die Tendenz erkennen, dass es bei im Rahmen eines Entzündungsgeschehens aktivierten RASF zunächst zu einer Induktion der CD63-Expression kommt, die Expression aber anschließend möglicherweise durch eine Gegenregulation reduziert wird. In dieser Arbeit ergaben sich Hinweise, dass Tetraspanine bei der Pathogenese der RA eine Relevanz haben könnten. Eine veränderte Oberflächenverteilung der Tetraspanine in TEMs könnte dazu führen, dass Zellen wie insbesondere synoviale Fibroblasten rekrutiert werden, aktiv in den Knorpel invadieren und vor Ort gehalten werden.