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Unraveling the interplay between composition, electronic band structure and electronic transport properties in n-type Mg2X (X: Si, Sn) materials
(2024-03-26) Sankhla, Aryan
Mg2X (X: Si, Sn) based solid solutions are state-of-the-art thermoelectric (TE) materials in the intermediate temperature range (300 K – 900 K). Particularly, the n-type Mg2Si1-xSnx (with x = 0.6 – 0.7) shows excellent TE properties. These materials possess features such as a low mass density, abundant and economic precursors, and less interference to human and environmental health. All these characteristics makes these materials a prominent choice for the fabrication of modules for power generation. Even though these materials show a high TE performance, there is an obvious need for further research to understand the composition-synthesis-microstructure-property relationships for these materials. The motivation comes from the fact that the employed synthesis routes usually take days-to-weeks to prepare one batch of these materials, poor reproducibility of TE properties, and a large difference (beyond measurement uncertainty) in the TE properties of samples with nominally the same composition, as per the literature reports. The discrepancy could arise from the employed method, where the systematics are poorly understood i.e. more than one synthesis conditions (duration, number of repetitions of high temperature heating or milling etc.) could be responsible for the cited deviation in the TE properties. These aspects need to be systematically addressed. Therefore, for the development of efficient Mg2Si1-xSnx modules, a synthesis route with optimized parameters should be established which can be achieved by utilizing a technique to prepare Mg2Si1-xSnx materials with excellent reproducibility in relatively less time, identifying the synthesis parameters which influence the TE properties, and analyzing the TE properties to identify the microscopic material parameters affected due to a variation in synthesis parameters. Besides, for a long-term functioning and sustenance of maximum efficiency of Mg2Si1-xSnx based modules, the high temperature stability of Mg2Si1-xSnx materials is a significant challenge to overcome. Previous studies reveal that the high temperature (800 K – 875 K) stability of n-type Mg2Si1-xSnx materials is compromised by Mg loss. However, these studies lack proper methodology as the high-temperature annealing causes material degradation beyond the actual composition, which results in the formation of secondary phases. As a result, a comparison of TE properties measured before and after annealing hold no significance as the properties measured after annealing are representative of mixed-phase material. These studies also lack a proper detailing of the degradation mechanism and no conclusions about the mechanism can be drawn from the reported microstructure. These investigations highlight the fact that the practically relevant topic of thermal stability of Mg2Si1-xSnx materials needs to be addressed well. In this regard, the measurement of TE properties should be conducted by simulating the operation conditions of TEGs made from these materials. A measurement of TE properties of these materials at high temperatures of annealing would show a direct effect of heat-treatment on the TE properties. Moreover, a modelling-based analysis of measured properties will provide the extent of changes in the microscopic material parameters. Such an investigation would enable a systematic understanding of the different stages of the degradation mechanism of Mg2Si1-xSnx materials. Therefore, the focus of this work is to investigate the composition-synthesis-microstructure-property relationships in n-type Mg2X (X: Si, Sn) solid solutions, and the effects of long-term heat treatment on the thermoelectric transport properties of these materials, using semiconductor physics-based models. Carrier concentration (n) is one fundamental parameter that needs to be optimized for achieving best TE properties of any material. Therefore, a pre-existing in-house Hall facility is successfully advanced for high temperature measurements (T=300 K – 723 K) of Mg2Si1-xSnx materials. The Hall facility is capable to simultaneously measure the Hall coefficient (R_H) and the electrical conductivity (σ) in a van der Pauw configuration. The uncertainty in the signals corresponding to the σ measurement was addressed, partially resolved and quantified. The effect of non-ideal contact geometry on the R_H measurement was investigated using finite element simulations. For certain relevant cases, R_H values deduced from simulation and analytical expression showed a relative deviation (R.D.) >5 %, and so, the results of the analytical expression could be furthermore corrected using simulation results. Room temperature and T-dependent measurement of R_H and σ on Mg2(Si,Sn) and p-type FeSi2, respectively, in the Hall facility at DLR and other international research labs showed good agreement in their absolute measured values with R.D.≤8 %. For a better understanding of composition-synthesis-microstructure-property relationship, Sb-doped Mg2Si0.4Sn0.6 was synthesized using mechanical alloying. Employing an in-depth microstructure analysis, the formation mechanism of this material was studied in detail using mechanical alloying. The Mg-Sn phase forms readily followed by slow Si diffusion in the ductile matrix. However, the investigations showed that the powder sample was not phase pure even after extensive milling and therefore a high-temperature compaction step was added, enabling a successful synthesis of the desired composition. The effect of synthesis parameters (milling time, sintering time and temperature) was studied systematically. TE properties were hardly influenced by milling duration. However, carrier concentration reduced with an increase of sintering time and temperature which led to an observable effect on TE properties. Maximum TE performance, characterized by a TE figure-of-merit zT~1.4, was achieved for samples sintered at 973 K for 20 min. A TEM based microstructural analysis was performed on the samples sintered for different durations (10 min, 20 min and 40 min) at 973 K. This analysis was done with an objective to identify the reason of the sensitivity of TE properties to the sintering duration. An increase in the sintering duration resulted in Mg-depleted grain boundaries and local compositional inhomogeneities in the material. The transport properties of these samples were analyzed upto 700 K by using a single parabolic band (SPB) model under the assumptions of acoustic phonon (AP) and alloy scattering (AS) mechanisms. Analysis revealed carrier loss, a lowering in carrier mobility (μ) and a reduction in lattice thermal conductivity (κ_lat) with increasing sintering duration. A lower mobility for the sample (sintered for prolonged duration 40 min) was due to a combined effect of increasing electron-phonon interaction (higher deformation potential constant E_Def) and local compositional inhomogeneities, which are both associated with Mg loss. The altered temperature dependence of electrical conductivity could be reproduced by considering grain boundary (GB) scattering together with AP and AS, thus, linking the observed changes of the microstructure with the TE transport. The compensation between both a lower κ_lat and μ of the sample sintered for 40 min led to a similar TE performance as short-term sintered samples, with 〖zT〗_max=1.3±0.18 for all samples. The absence of any strong influence of sintering duration on 〖zT〗_max indicates that Mg2Si1-xSnx materials, and hence the TE modules made from them, can accommodate some Mg loss without their performance being degraded. Theoretical investigations have suggested scandium (Sc) as an impurity element for Mg2X materials that introduces resonant levels in the band structure, which could greatly enhance the Seebeck coefficient (S) and the overall TE performance. Correspondingly, the effect of the substitution of Mg by Sc in Mg2X binaries and their solid solutions was experimentally investigated. The TE properties showed no enhancement due to an addition of Sc to Mg2X material, thus, disproving the results of the theoretical study. The effect of long-term annealing on the transport properties of Mg2Si1-xSnx was further investigated at different temperatures. Chosen temperatures were near and beyond the operation temperature range of Mg2Si1-xSnx based TE modules. It is clear from the last investigation that the Mg loss is inevitable. The missing part is the extent and the speed of Mg loss at higher temperatures. It is furthermore unclear whether the microscopic mechanism of degradation is temperature dependent or not. Considering this, the electrical transport properties of six thermoelectrically identical samples were measured in-situ in two different setups: S and σ (three samples), and R_H and σ (other three as-prepared samples) during annealing at 710 K, 773 K and 848 K. All samples were largely single phase with no hints of de-mixing after annealing for several hundred hours. In-situ measured properties were analyzed using a SPB and a two parabolic band (2PB, one conduction and one valence band) model. The analysis revealed a loss of majority carriers due to ongoing Mg loss as annealing progressed. Besides, a lowering of μ, due to an increase in E_Def, and a reduction in the density-of-states effective mass (m_D^*) is also observed. This change in said microscopic material parameters could be directly related to an ongoing Mg loss or a lifted degeneracy of conduction bands in Mg2Si0.4Sn0.6, respectively. A microscopic, multi-step model of Mg loss was developed which qualitatively explains the Mg-transport from sample to the annealing atmosphere. Time constants (and rates) were estimated from the change of majority charge carriers and the electrical conductivity measured in situ at different temperatures. Rates were plugged in the Arrhenius expression to determine the activation energy of the complete degradation process. The activation energy was compared with the height of energy barriers associated with Mg-transport to judge the limiting step in the transport chain of multi-step model. Mg-transport was found to be dominated by Mg-vacancies owing to their low energy of formation and migration energy. With the established mechanism, the observed changes in the transport properties and the differences in rate and the frequency factor were found to be dependent on the design of measuring setups. This governs the degradation process by allowing one or more steps to act as a dominant mechanism of multi-step transport chain. The findings in this thesis provide a description of previously unknown synthesis mechanism of high performance n-type Mg2(Si,Sn) solid solutions using mechanical alloying. The effect of synthesis parameters on material properties is analyzed which explains discrepancies in the material properties reported in different literature reports. An effect of high-temperature degradation of n-type Mg2(Si,Sn) is understood by analyzing in situ measured transport properties which revealed the affected microscopic material parameters and the extent of their deterioration. Finally, the kinetics of Mg-loss in n-type Mg2(Si,Sn) solid solutions is known by utilizing the change in the majority charge carrier concentration and a model of Mg-loss in n-type Mg2(Si,Sn) is developed.
Eine retrospektive Analyse postoperativer Kurz- vs. Langzeit Hörergebnisse nach Tympanoplastik Typ IIIa/b (PORP vs. TORP)
(2023) Steinbrika, Kristina
Die monozentrische, retrospektive Studie analysiert den Effekt der einzeitigen Cholesteatomsanierung und prothesengestützten Gehörknöchelchenrekonstruktion auf das Hörvermögen. Dabei wurden die Tympanoplastiken Typ IIIa (PORP) und IIIb (TORP) zu definierten Zeitpunkten anhand der Air-Bone Gap (ABG) miteinander verglichen. In die Untersuchung wurden Patienten mit der Erstdiagnose eines Cholesteatoms aus der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde der Justus-Liebig-Universität Gießen eingeschlossen. Bei diesen wurde zwischen Januar 2012 und Dezember 2017 die Erstdiagnose eines Cholesteatoms gestellt und die operative Sanierung und Rekonstruktion im Sinne einer hörverbessernden Tympanoplastik Typ III durchgeführt. Dabei wurde die Air-Bone Gap (ABG) zu den Zeitpunkten präoperativ (T1), postoperativ nach drei Wochen (T2), 1-Jahreskontrolle (T3) und post second-look (T4) für die Frequenzen 0,5 kHz, 1 kHz, 2 kHz, 3 kHz und 4 kHz anhand der Reintonaudiometrien ermittelt. Zudem wurde der Einfluss der Operationstechnik (CWU und CWD) analysiert. Insgesamt wurden 69 Patienten (M: n = 46, W: n = 23; mittleres Alter: 46,7 ± 15,8 Jahren) nach Prüfung der definierten Ein- und Ausschlusskriterien in die Analyse einbezogen. Davon wurden in 54 Fällen Tympanoplastiken Typ IIIa (PORP) und in 15 Fällen eine Typ IIIb (TORP) durchgeführt. Die Analyse der ABG ergab im Gruppenvergleich, dass diese in der PORP- Gruppe stets und für alle untersuchten Frequenzen kleiner als in der TORP-Gruppe war. Ein signifikanter ABG-Unterschied konnte nur für die Zeitpunkte prä- (T1) und postoperativ (T2) für beide Gruppen gefunden werden. Dieser signifikante Unterschied und Effekt bestand nicht mehr zur 1-Jahreskontrolle (T3). Bezüglich der Operationstechniken Canal-wall-up bzw. down konnte eine geringe ABG nur in der TORP-Gruppe für CWU erfasst werden. Kein relevanter Unterschied ergab sich in der PORP-Gruppe. Die Untersuchung aus der universitären HNO-Klinik zeigt, dass eine einzeitige Cholesteatomsanierung und Hörverbesserung im Sinne einer Tympanoplastik IIIa/b möglich ist. Dabei ergibt sich im prä- und postoperativen Gruppenvergleich auch eine signifikante Verbesserung des Hörvermögens um rund 11 dB in der TORP und 4 dB in der PORP-Gruppe. Aus diesen Mittelwerten lässt sich eine objektive Verbesserung des Hörvermögens zwar ableiten, es kann aber keine Aussage über das Ausmaß der subjektiv empfunden Hörverbesserung getroffen werden. Zusammenfassend scheint die Operationsmethode in der PORP-Gruppe ohne relevanten Einfluss auf die Hörergebnisse zu sein. Im Gegensatz dazu kommt die Untersuchung zu dem Ergebnis, dass die gefundene geringere ABG in der TORP-Gruppe bei Anwendung der CWD-Technik mit einer Verbesserung des Hörvermögens verbunden ist. Diese Beobachtung sollte in nachfolgenden Studien weiter untersucht werden, um eine bestmögliche Rehabilitation bzw. den Erhalt des Hörvermögens der Patienten zu erreichen.
Register für Neuromuskuläre Erkrankungen und COVID-19
(2024-04-03) Worm, André
Die Promotion umfasst ein Register, welches die Daten neuromuskulär erkrankter Patient:innen mit durchgemachter SARS-CoV-2 Infektion integriert und die gegenseitigen Auswirkungen der COVID-19 Infektion und der neuromuskulären Erkrankung untersuchen soll.
Development of a chronology for open water reservoirs and subterranean cisterns in the Negev Highlands (Israel) using Optically Stimulated Luminescence : Construction - Utilization - Abandonment
(2024) Junge, Andrea
Ancient open water reservoirs and subterranean cisterns are frequently occurring archaeological installations in drylands like the Negev Highlands, Israel. The former type are round open water reservoirs, which were dug into impermeable layers in foot slope areas and wadis. They may reach 10 m to 12 m in diameter and 4 m to 5 m in depth and were lined internally with unhewn stones and clay or marl that served as an aquiclude. In comparison, subterranean cisterns are rock-cut, excavated into soft limestone or chalk formations with a capacity of up to several hundred cubic meters. These two types of installations to collect and store water can sustain settlements, agriculture, and nomadic pastoralism under dry conditions. Despite the large number of cisterns and reservoirs in the Negev Highlands, they have scarcely been studied systematically.
Crucial for investigating water harvesting systems and their sediments is the establishment of robust chronologies of their life cycles. When the cisterns and water reservoirs are constructed, material is removed and deposited on an adjacent spoil pile. During precipitation events surface runoff from adjoining slopes erodes and transports sediments, which are then deposited in the reservoirs and cisterns. As long as they are maintained, the material is removed and also deposited on the spoil pile. After the cessation of maintenance, the installations were filled up with sediments.
The transport and deposition of sediments enables the application of optically stimulated luminescence (OSL) at the preferred dating method to determine the time of construction, utilisation and abandonment of reservoirs and cisterns. The interpretation of OSL ages is supported by micromorphological analyses and provides insights into the life cycles of the different installations, enabling a discussion about their chronology, the circumstance of construction and their purpose.
The age determinations of ten studied installations allow the conclusion that the open water reservoirs were introduced into the Negev Highlands latest during the Intermediate Bronze Age with a continuing construction until Medieval times, while the construction of subterranean cisterns started during the Roman period, without interrupting the construction of further reservoirs. From this, it can be derived that the construction of different types of water collection and storage systems occurred in different contexts. While the construction of reservoirs could be carried out by small groups in a relatively short time, the building of cisterns required more technological knowledge, more individuals, and longer periods, facilitated by central authorities.
Entwicklung einer therapeutischen Strategie basierend auf CRISPR/Cas Genome Editing im Schweinemodell für Morbus Stargardt
(2023) Bucher, Michael
STGD1 ist eine der häufigsten genetisch bedingten Ursachen für Sehbehinderung. Verursacht durch autosomal rezessiv vererbte Mutationen im ABCA4 Gen kommt es zur Akkumulation von toxischen Produkten im retinalen Pigmentepithel und damit letztlich zu einer zunehmenden Einschränkung der Sehkraft beider Augen. Bisher gibt es keine klinisch zugelassene kausale Therapie. Eine der für STGD1 verantwortlichen humanpathogenen Mutationen liegt im Exon 43 des ABCA4 Gens. Mithilfe von Genome Editing ist es theoretisch möglich, diese ursächlich zu therapieren. Dabei wird zunächst mit einer Endonuklease, in dieser Arbeit CRISPR/Cas9, ein Doppelstrangbruch in der Nähe der Mutation erzeugt. Die Cas9 Endonuklease braucht dazu eine effektive guideRNA, welche sie spezifisch zu der gewünschten Stelle (sog. Targetstelle) im Genom führt. Der erzeugte Doppelstrangbruch soll dann von den zelleigenen Reparaturmechanismen unter Nutzung eines DNA-Templates, welches das entsprechende wildtypische DNA-Fragment des Gens enthält, so repariert werden, dass am Ende die wildtypische Sequenz des Gens im Genom vorliegt und das funktionstüchtige Genprodukt von der Zelle hergestellt werden kann. In dieser Arbeit wurde am Schweinemodell (Sus Scrofa) gearbeitet, d.h. es wurden die porzinen Sequenzen des ABCA4 Gens verwendet. Es konnten zunächst 10 verschiedene Plasmide, sog. gRNA/Cas9-Plasmide, welche die codierenden Sequenzen sowohl für gRNAs als auch für die Cas9-Enzyme enthalten, generiert werden. Die zugehörigen Targetsequenzen der gRNAs lagen dabei in den intronischen Bereichen um das Exon 43 des porzinen ABCA4 Gens. Anschließend wurden die gRNA/Cas9-Plasmide mit einem sog. BRET-Assay auf ihre Schneideaktivität in vitro überprüft. Dabei zeigte sich, dass 6 der 10 Plasmide eine signifikante Schneideaktivität besitzen, mit 4 davon wurde weitergearbeitet. Parallel dazu wurde ein Template entworfen und hergestellt, welches aneinandergereiht die wildtypischen Sequenzen der Exons 42, 43 und 44 des porzinen ABCA4 Gens enthält. Zudem wurde ein zweites Template (MMEJ-Template) entworfen und und in das BRET-Reporter-System integriert werden. Anschließend wurde versucht, mithilfe der gRNAs und dem Cas9 Enzym die DNA-Sequenz des WT-Templates in das MMEJ-Template einzubauen und dies anschließend mit einem sog. MMEJ-Assay zu überprüfen. Es zeigte sich, dass kein Einbau des WT-Templates stattgefunden hatte. Gründe und Lösungsstrategien hierfür wurden diskutiert.
Zytokompatibilität eines neuen porösen Polymermaterials gegenüber humanen Knochenzellen
(2024) Spreda, Miriam
Tiefe osteochondrale Defekte, welche zum Beispiel im Rahmen von Osteoarthrose oder in Folge von Sportverletzungen auftreten, stellen eine wachsende Herausforderung für Chirurgie und Gesellschaft dar. Herkömmliche Behandlungsoptionen sind zeit- und kostenintensiv sowie häufig nur von unzureichendem Erfolg. Einen vielversprechenden Ansatz bieten biphasischer Implantate, welche biokompatibel und biodegradierbar sind. In der vorliegenden Arbeit wurden poröse Scaffolds (PS) aus Poly-((D,L)-Lactid-ε-Caprolacton)-dimethacrylat (LCM) im Vergleich zu kompakten LCM-Scaffolds (KS), sowie Kontrollen ohne Material hinsichtlich ihrer Verträglichkeit beurteilt. PS sollen als Osteophase biphasischer Implantate Anwendung finden und waren aus Schwarz-P-Einheitszellen zusammengesetzt. Die Biokompatibilität der Scaffolds im Kontakt mit humanen mesenchymalen Stromazellen (MSC) wurde nach drei und sechs Tagen Kultivierung mittels MTT- und LDH-Assay analysiert (n = 5). Darüber hinaus wurden humane periphere mononukleäre Zellen (PBMC) direkt auf die Scaffolds ausgesät und unter Zugabe von Wachstumsfaktoren zu Osteoklasten differenziert (n = 5). Nach vier, acht und zwölf Tagen wurden Differenzierungsverhalten und Aktivität der Osteoklasten durch real-time RT-PCR osteoklastenspezifischer Gene und Bestimmung der Aktivität der tartratresistenten sauren Phosphatase (TRAP5b) quantifiziert. Zudem wurde die Morphologie der Zellen lichtmikroskopisch bzw. immunfluoreszenzmikroskopisch beurteilt. Es zeigte sich keine zytotoxische Wirkung der LCM Scaffolds. Die Vitalität der MSC im MTT-Test war auf PS nach drei Tagen im Vergleich zu KS gesteigert. Nach sechs Tagen ergaben sich keine signifikanten Unterschiede. Für die Osteoklasten ergab sich morphologisch eine gehemmte Differenzierung. Auch die TRAP5b Aktivität sowie die Expression aktivitätsspezifischer Gene wie z. B. Cathepsin K waren im Kontakt mit PS im Vergleich zu den Kontrollen signifikant vermindert. Insgesamt sprechen die Ergebnisse für eine sehr gute Biokompatibilität der LCM-Scaffolds. Interessanterweise konnte allein durch die strukturelle Veränderung der Schwarz-P-Struktur von PS gegenüber KS die Vitalität der MSC gesteigert, sowie die Aktivität der Osteoklasten reduziert werden. Da trotzdem funktionsfähige Osteoklasten vorhanden waren, jedoch keine überschießende Aktivität vorlag, ist von einer besonderen Eignung der porösen Scaffolds für den Einsatz als Osteophase biphasischer Implantate auszugehen.
Participatory monitoring and valuation of hydrological ecosystem services in tropical mountainous landscapes of Kenya
(2023-11-14) Njue, Naomi Karimi
Tropical montane forests provide water-related ecosystem services (WES) that are crucial for human well-being and sustainable development, yet these ecosystems are among the most threatened globally by conversion to other land uses and climate change. Despite their importance and vulnerability, the lack of hydrometric data and inadequate incorporation of socio-cultural values in decision-making processes makes it more difficult to plan for sustainable land use and water resources management in the tropics. To contribute towards this monitoring and knowledge gap, this dissertation examines the potential of using participatory approaches in monitoring and valuation of WES. First, a comprehensive systematic review based on a synthesis of 71 scientific studies on citizen science in the context of hydrology was conducted to understand the scope and future prospects of integrating citizen science in hydrological monitoring. There has been a significant growth in the application of state-of-the art approaches of citizen science in hydrology over the past decade, with successful implementation and contributions especially to water quality assessments. In the second part of this dissertation, a contributory citizen science water quality and level monitoring network was established at six sites within the Sondu-Miriu River Basin, a mesoscale catchment in South-West Mau, Kenya with the aim to evaluate suspended sediment dynamics. A two-year dataset generated by citizen scientists revealed that suspended sediment concentrations were highest in agricultural landscapes, and lowest in sub-catchments with high forest cover, indicating the impacts of land use patterns on suspended sediment dynamics in the region and the direct role of forested areas in providing important services in term of sediment regulation that affect the society. Data on suspended sediment and water level collected by citizen scientists using turbidity tubes and water level gauges validated with data from automatic stations at two sites, revealed a similar temporal pattern. Finally, the third part of the dissertation focusses on socio-cultural valuation of WES based on a household survey. Water provisioning, climate regulation, water purification, water regulation, and groundwater recharge were perceived as the top five most important services for societal well-being and highly vulnerable. The findings of this dissertation show that citizen science is a promising, cost-effective participatory strategy that can support hydrological monitoring and research in remote tropical mountainous regions. Additionally, socio-cultural valuation can be a useful tool for identifying relevant ecosystem services. This can help guide the prioritization and design of more effective and locally adaptive management strategies that promote sustainable livelihoods and environmental sustainability.
Characterization of immune cell populations in the male reproductive tract of the mouse
(2024) Kumar, Vishnu
Infertility affects about 15% of couples globally, with male factors accounting for half of all instances. Infection and inflammation of the male reproductive tract contribute to about 15% of male infertility. Various pathogens, including bacteria, viruses, and parasites, infect the male reproductive organs and induce inflammation. Especially, bacteria can infect the male reproductive organs, causing testicular damage, epididymitis, prostatitis, and urethritis. Various bacteria and viruses such as Chlamydia trachomatis, Neisseria gonorrhoeae, Mycoplasma spp., HIV, and HPV are found in semen and can also infect females through sexual transmission. Sterile inflammation, possibly of auto-immne origin, is another etiology of the infertility, with approximately 25% of testicular biopsies from infertile men showing focal inflammatiory lessions. The immune system plays an important role in the survival of organisms by protecting against pathogens and maintaining tissue homeostasis. The immune system and the composition of immune cells in the male reproductive organs are not well-explored. Male infertility is increasingly being recognized as a predictor for overall male health, due to higher predisposition for comorbidities. This highlights the importance of investigating the immune cell landscape in male reproductive organs. Therefore, this study characterized the immune cell composition within the male reproductive organs of C57BL/6J mice using flow cytometry and immunofluorescence analyses. In all male reproductive organs, except the penis, macrophages are the predominant immune cells. In the penis, B cells and neutrophils are more prominent, indicating exposure to environmental immune stimuli. Moreover, our findings suggest that the main source of B cells in the penis is mostly concentrated in its bone region. Dendritic cells are present in lower frequencies in all male reproductive organs. However, seminal vesicles harbour more T, NK, and NKT cells than other male reproductive organs. Next, the contribution of blood monocytes to the resident macrophage population in MROs was identified. Our analysis using the Ccr2gfp/gfp KI/KO mouse model revealed that in seminal vesicles, urethra, and penis, a subset of the macrophage population is derived from bone marrow-derived monocytes. Furthermore, macrophages in the male reproductive organs of C57BL/6J mice were depleted using the PLX5622 CSF1R inhibitor to determine their function in normal homeostasis. Over 90% of macrophages were depleted in the testis, epididymis, vas deferens, and seminal vesicle, while in the prostate, urethra, and penis, effectiveness was less than 70%. After ten days of macrophage depletion, no gross histological changes were observed. However, Azan staining showed the appearance of collagen deposition in the testis and epididymis, and a reduction in the urethra. Moreover, this study identified a novel macrophage population (F4/80hiCD11b-) in the seminal vesicles and prostate, emerging in 6 week old mice (puberty period). This is the first study to characterize the complexity of the immune cell population in the entire male reproductive organs. Altogether, this indicates that immune cell diversity, macrophage heterogeneity, and their functions are tissue-specific and may be influenced by tissue microenvironments.
Regional Paleo Climate Simulation over Eastern Mediterranean and the Nile River Basin with COSMO-CLM
(2023) Zhang, Mingyue
The complex interaction between climate variability, extreme events, and societal dynamics within the Eastern Mediterranean (EM) and Nile River (NR) basin (EMNR) has captivated scholarly attention for years. Despite the importance of climate's influence on societies, most of the research primarily relied on proxy records, with limited attention to the detailed/regional/local information provided by Regional Climate Model (RCM) simulations. The primary objective of this study is to increase the understanding of regional and local climatic patterns within the EM and NR basin over two millennia based on a regional climate model - COSMO-CLM. This study highlights the necessity of bridging the gap of the coarse GCM resolution by employing RCMs, focusing on the paleo climate simulation over EM and NR region with COSMO-CLM (COnsortium for Small-scale MOdelling in CLimate Mode) model. More specifically, the first part of this thesis provides a sensitivity analysis of different land cover schemes in convective-permitting simulations within COSMO-CLM. Key among the external forcings is land use change, which significantly alters land surface properties affecting energy, water, and momentum exchanges between the land and atmosphere. By analyzing the simulated air temperature, the leaf area index and the plant coverage, this study underscored the need to carefully select appropriate Land Cover (LC) maps for regional climate modeling, as LC maps and fractions had substantial impacts on simulated air temperature, Leaf Area Index (LAI), and plant coverage. The study also indicated that analyzing the effects of heterogeneous land cover types on seasonal climate, as well as assessing the role of land cover in regional climate modeling, would be crucial for future research. Further investigations are also required to understand how regional climate responds to varying land cover distributions. The second part involves developing a transient paleo climate simulation for the past 2000 years using the COSMO-CLM model with its enhanced horizontal resolution up to 50 x 50 km, which incorporates several external forcings (solar, orbital, volcanic, greenhouse gases and land use change) to make the paleo simulations more realistic and more independent. By implementing those external forcings into COSMO-CLM, the study provides a dataset characterized by enhanced spatial (50 km) and temporal (monthly to hourly depending on the output variables) resolution. This approach can not only enable a comparative analysis between simulation outputs and proxy data but also foster the possibility of a comprehensive understanding of historical socio-climatic conditions. The research further compares the mean climate condition of EMNR between the ERP (Early Rome Period: 400-362 BCE) and PI (Pre-Industrial: 1800 -1850 CE), further, offering insights into large-scale circulation processes and their impact on regional climate conditions between ERP and PI. The results show that the mean climate conditions of the two selected periods are similar in terms of annual cycle but with increased variability from ERP to PI. In addition, the relationship between large-scale circulation features to regional temperature/precipitation patterns reveals stable large-scale circulation influence during both ERP and PI periods.
Nachhaltige biotechnologische Produktion von ungesättigten, mittelkettigen Fettaldehyden als potente Aromachemikalien aus natürlichen Quellen
(2024) Honold, Philipp Jakob
In dieser Arbeit wurden natürliche Quellen wie Pilze und Nüsse hinsichtlich ihrer Fettsäurezusammensetzung analysiert, um aus diesen durch enzymatische Umsetzungen neuartige, geruchsaktive Aldehyde zu generieren. Aldehyde stellen eine vielseitige und beliebte Klasse von Aromastoffen dar. Ein biotechnologischer Zugang zu geruchsaktiven Aldehyden wurde durch die Umwandlung von Fettsäuren mit zwei Enzymen des α-Dioxygenasewegs entwickelt. Die rekombinanten Enzyme α-Dioxygenase (α-DOX) aus Crocosphaera subtropica und Fettaldehyddehydrogenase (FALDH) aus Vibrio harveyi wurden heterolog in E. coli exprimiert, gereinigt und in einer Kaskadenreaktion kombiniert. Das Konzept wurde im Hinblick auf Reaktionszyklen und Produktionsausbeute optimiert. Hierfür wurden die beiden Enzyme α-DOX und FALDH kombiniert. Im ersten Schritt wurden die Fettsäuren mittels α-DOX in ein, um ein C-Atom verkürztes, Aldehyd transformiert, welcher wiederum durch die FALDH zur Säure oxidiert wurde. Dadurch entstand eine zyklische Reaktion bei der die Fettsäuren in jedem Zyklus in einen kettenverkürzten Aldehyd transformiert wurden. Die so entstandenen Aldehyde wurden mittels Headspace-Festphasenmikroextraktion-Gaschromatographie-Massenspektrometrie-Olfaktometrie (HS-SPME-GC-MS-O) identifiziert und sensorisch charakterisiert.
Individual and Contextual Factors of Right-wing Populism – New Perspectives through Methodological Innovation
(2024) Kleinert, Manuel
Diese Arbeit nutzt SEM, implizite Einstellungen und Mikro-Meso-Interaktionen um den Erfolg rechtspopulistischer Parteien und Bewegungen zu untersuchen. Sie zeigt, dass wirtschaftliche Deprivation die Sympathie für Pegida indirekt beeinflusst, indem sie sich gegenseitig verstärkenden Faktoren – ausländerfeindliche Einstellungen und politische Unzufriedenheit – erhöht. Die Analysen impliziter Einstellungen zeigen, dass bei Befragungen durch Vermeidung kognitiver Dissonanz auf Seiten der Befragten der Effekt ausländerfeindlicher Einstellungen auf die AfD-Sympathie überschätzt wird. Der parlamentarische Status solcher Parteien kann außerdem Interaktionseffekte zwischen Einstellungen zu diesen Parteien beeinflussen. Durch die Anwendung innovativer Methoden trägt die Studie zu einem besseren Verständnis der Erfolgsfaktoren des Rechtspopulismus bei, da gezeigt werden konnte, dass diese Faktoren auf verschiedenen Ebenen stark miteinander verbunden sind.
Performanzbasierte Simulationen in virtuellen Lernumgebungen
(2024) Fecke, Julia
Damit angehende Lehrkräfte erfolgreich beruflich handeln können, sind nicht nur fachliche, domänenspezifische Kompetenzen notwendig, sondern auch generische Kompetenzen. Während fachliche Kompetenzen ausreichend vorhanden sind, mangelt es angehenden Lehrkräften oft an fachübergreifenden, generischen Kompetenzen. Als Beispiel ist Kommunikationsfähigkeit zu nennen. Kommunikationsfähigkeit stellt als mehrdimensionale generische Kompetenz einen wesentlichen Aspekt zentraler Handlungsfähigkeit in sozialen Interaktionen angehender Lehrkräfte dar. Kommunikation wird dabei in diversen sozialen Interaktion mit verschiedenen GesprächspartnerInnen im Kontext Schule benötigt. Angehende Lehrkräfte erhalten jedoch selten die Möglichkeit, außerhalb von Praxisphasen, ihre erworbenen Fähigkeiten in einem geschützten Rahmen praktisch zu erproben. Dafür bedarf es Lerngelegenheiten in der Lehrkräfteausbildung, die einen solchen Bezug herstellen. Vorliegende kumulative Dissertation greift diese Aspekte auf und stellt ein Lehr-Lern-Format vor, bei dem performanzbasierte Simulationen zur Erprobung kommunikativer Handlungsfähigkeit von angehenden Lehrkräften der allgemeinen und beruflichen Bildung in virtuellen Lernumgebungen durchgeführt wurden. Innerhalb dieser virtuellen Lernumgebungen interagieren angehende Lehrkräfte u.a. mit einem Avatar. Dies kann für Studierende im Allgemein, aber auch für Studierende mit Tendenzen sozialer Ängstlichkeit und Kompetenzdefiziten vorteilhaft sein. Vorliegende kumulative Dissertation untersucht das Lehr-Lern-Format bei der Durchführung von Rollenspielen hinsichtlich verschiedener Aspekte und arbeitet dabei heraus, • welche Vor- und Nachteile avatar- und videokamerabasierter Interaktionen bei der Durchführung von Simulationen haben (Fecke & Müller, 2022/Kapitel 2.4, 4.1, 5.1), • inwiefern soziale Hemmungen, bzw. Tendenzen sozialer Ängstlichkeit und Kompetenzdefiziten die Kommunikationskompetenz von den Studierenden in den avatar- und videokamerabasierten Lernumgebungen beeinflussen (Fecke et al., under review/Kapitel 4.2, 5.1) und • wie die Studierenden die Simulationen z.B. als Lernmöglichkeit oder hinsichtlich eines Theorie-Praxis-Bezugs wahrnehmen (Fecke, 2024/Kapitel 4.3, 5.2). Dafür wurden in einem experimentellen Design die angehende Lehrkräfte (n=61) des allgemeinen und beruflichen Lehramts, vor den Simulationen randomisiert in avatar- und videokamerabasierte Interaktionen zugeteilt. Die Stichprobe stellen Lehramtsstudierende des allgemeinen und beruflichen Lehramts dar. Bei der Simulation in Form von Rollenspielen wurden kommunikative Kompetenzen in der virtuellen Lernumgebung erprobt. Das Gegenüber stellten dafür trainierte SchauspielerInnen dar, welche die SchülerInnen, KollegInnen oder die Schulleitung simulierten. Dafür wurden neben quantitativen Daten zur Erfassung der kommunikativen Kompetenzen (basierend auf der Fremdeinschätzungen anhand eines Beobachtungsbogens und Selbsteinschätzungen anhand eines Fragebogens) und Tendenzen sozialer Ängstlichkeit und Kompetenzdefiziten der Studierenden, auch qualitative Methoden (Fokusgruppen und Reflexionsfragen) eingesetzt. Es zeigt sich, dass avatarbasierte Interaktionen eine gute Lerngelegenheit zur Erprobung kommunikativer Kompetenzen darstellen und auch für Studierende mit sozialen Hemmungen geeignet sind. Weiter zeigt sich, dass Studierende des allgemeinen und beruflichen Lehramts die Rollenspiele unterschiedlich hinsichtlich verschiedener Aspekte unterschiedlich wahrnehmen.
Fermentation unterschiedlicher Seitenströme der Lebensmittelindustrie zur Produktion alternativer Proteinquellen für die Futter- und Lebensmittelindustrie
(2024) Pfeiffer, Janin
Aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung, des anhaltenden Klimawandels und der damit ein-hergehenden Folgen wie Hungersnöten oder Naturkatastrophen steigt die Nachfrage nach nach-haltig und zuverlässig produzierbaren alternativen Proteinquellen. Insekten, wie die Larven der Schwarze Soldatenfliege (engl.: black soldier fly larvae (BSFL)), spielen hierbei besonders in der Futtermittelindustrie eine große Rolle. Aber auch die Forschung an Alternativen für die Humanernährung ist weit verbreitet. In diesem Zusammenhang könnten Pilze der Abteilung Basidiomycota in der Zukunft eine tragende Rolle einnehmen. Die Fruchtkörper verschiedenster Speisepilze werden weltweit in großen Mengen verzehrt und aufgrund ihres einzigartigen Geschmacks geschätzt, doch auch das Myzel erfährt ein immer größer werdendes Interesse in der Lebensmittelindustrie. Durch ihr einzigartiges Enzymportfolio sind die Pilze im Stande, lignocellulosehaltige Biomasse, zu der eine Vielzahl der Seitenströme der Lebensmittelindustrie gehören, zu verwerten und in proteinreiche Lebensmittel umzuwandeln. Die Seitenströme der Palmölindustrie, empty fruit bunches (EFB) und Palmkernmehl (PKM) sind reich an lignocellulosehaltigen Fasern und sollten als Futtersubstrat für die BSFL eingesetzt werden. Diese können nachfolgend als Futtermittel verwendet werden. Es wurde eine Fermentation mit den Weißfäulepilzen Bjerkandera adusta, Marasmius palmivorus und Irpex consors auf einer Mischung dieser Seitenströme in Festbettkultivierung durchgeführt, um die Verdaulichkeit für die BSFL zu steigern. Zur Optimierung der Fermentation wurden das Pilzwachstum, der Lignin- sowie der Proteingehalt der Substrate und Fermentationsprodukte analysiert. Im Zuge dessen zeigte sich, dass lediglich eine Fermentation der EFB zielführend war. Durch nachträgliche Beimischung des PKM wurde verhindert, dass die Pilze wertvolle Nährstoffe aus dem PKM metabolisierten und das Lignin der EFB zum Biomasseaufbau nutzten. Der Gesamtligningehalt wurde durch die Pilze nicht verringert. Allerdings wurde ein Teil des säureunlöslichen Lignins in säurelösliches Lignin abgebaut. In Fütterungsversuchen stellte sich heraus, dass die BSFL das mit B. adusta fermentierte Futtersubstrat bevorzugten und sich signifikant schneller entwickelten. Das Myzel von Pilzen der Abteilung Basidiomycota könnte allerdings aufgrund der erhöhten Nachfrage nach alternativen Proteinquellen in der Humanernährung auch als Lebensmittel eingesetzt werden. Auch hierbei können lignocellulosehaltige Seitenströme als Wachstumssubstrat dienen. Nach einem Screening mit 22 Speisepilzen auf Agarmedien aus unterschiedlichen Biertrebersorten als alleiniger Nährstoffquelle wurden Pleurotus eryngii und Pholiota nameko auf Grundlage ihrer Wachstumsgeschwindigkeit und Geruchseindrücke ausgewählt und submers in unterschiedlichen Pilsener-Treber- und Weizenbiertreber-Medien kultiviert. Die Fermentationen wurden teils optimiert und die erhaltenen Produkte unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aspekte näher charakterisiert: Für den Pilz P. eryngii wurde das Kulturmedium optimiert, um einen möglichst hohen Pilzgehalt und eine gute Proteinqualität im Fermentat zu erhalten. Der höchste Pilzgehalt mit über 65% wurde bei einem Substrateinsatz von 2,5 g Biertreber pro Liter erreicht. Bei einer so geringen verwendeten Menge ist allerdings der Recyclingaspekt von in Tonnen anfallenden Nebenströmen zu hinterfragen. Die biologische Wertigkeit unterschied sich in Abhängigkeit der Substratkonzentration dagegen kaum und lag bei 88 bis 89. Die Medienoptimierung für P. nameko wurde analog zu den Experimenten mit P. eryngii durchgeführt. Darüber hinaus wurde das Aroma der Kulturen mit ansprechenden Geruchseindrücken mittels GC-MS-O analysiert. Im Anschluss wurde der Glutengehalt analysiert, welcher innerhalb von 14 Kulturtagen um 99,55% abnahm. Dies senkt das allergene Potential der Fermentationsprodukte und erhöht somit ihr Anwendungsspektrum. Aufgrund des geringen allergenen Potentials von Speisepilzen und der nachgewiesenen hohen Proteinqualität der Fermentate eignet sich neben den Fruchtkörpern auch das ressourcenschonend produzierbare Myzel als alternative Proteinquelle. Bei der Produktion von Myzel ist, wie bei der BSFL ein vertikales, platzsparendes System denkbar, jedoch steht die Zulassung der Mycelien als Novel Food durch die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) noch aus. Mit der Zulassung der BSFL als Futtermittel in der Europäischen Union wurden die rechtlichen Voraussetzungen der Umsetzung des Projekts zum Recycling der Palmölseitenströme geschaffen. Das Upscaling der Fermentation in Metallcontainern konnte erfolgreich durchgeführt werden. Fermentation und Insektenzucht könnten direkt in den Palmöl-produzierenden Ländern erfolgen, um eine Wertschöpfung vor Ort zu erzielen und Transportkosten der Rohstoffe EFB und PKM zu vermeiden. Die Insektenzucht ist durch ein vertikales Zuchtsystem platzsparender als der Anbau pflanzlicher Futtermittel für die Nutztierhaltung. Auf diese Weise ließe sich auch die Konkurrenz um die Nutzung von Agrarflächen (Nutztier- vs. Humanernährung) minimieren.
Das Zusammenspiel von Interleukin-11 und Transforming Growth Factor-Beta in der Fibroseantwort auf humanen Fibroblastenzellen
(2023) Hunold, Johanna
Multiple kardiale Erkrankungen münden in der Herzinsuffizienz, einer chronisch-progredienten Erkrankung mit schlechter Prognose. Pathomechanistisch liegt der Herzinsuffizienz ein myokardiales Remodeling zugrunde, welches durch eine verstärkte fibrotische Gewebsversteifung gekennzeichnet ist. Transforming Growth Factor-Beta spielt als wichtiges pro-fibrotisches Zytokin eine Schlüsselrolle im kardialen fibrotischen Gewebeumbau indem es die Transdifferenzierung von Fibroblasten zu Myofibroblasten fördert. Als therapeutischer Angriffspunkt zur Abmilderung fibrotischer Reaktionen ist eine komplette Inhibition des TGF-β-Signalweges jedoch nicht möglich. Aus diesem Grund müssen andere Wege gefunden werden, um Teile des Signalwegs zu inhibieren und therapeutisch nutzen zu können. Interleukin-11 hat in dieser Hinsicht in der letzten Zeit an Bedeutung gewonnen und insbesondere der Einfluss des Zytokins auf den fibrotischen Gewebeumbau ist für therapeutische Überlegungen von Relevanz. Bisher war in diesem Kontext noch unklar, welchen Einfluss das bereits an seinen löslichen Rezeptor gekoppelte Zytokin Hyper-IL-11 auf fibrotische Prozesse nimmt. Anhand eines in vitro-Modells humaner Fibroblastenzellen konnten wir grundlegende Mechanismen im Zusammenspiel der beiden Zytokine untereinander näher beleuchten. Dafür wurden die Fibroblasten für verschiedene Zeitpunkte mit TGF-β, IL-11, Hyper-IL-11 und einer Kostimulation aus TGF-β und IL-11 oder Hyper-IL-11 behandelt und anschließend durch verschiedene Methoden analysiert Hierbei stellte sich heraus, dass TGF-β für eine verlässliche Aktivierung der Fibroblasten sorgte und diese mit einer fibrotischen Signalantwort reagierten. Außerdem zeigte sich, dass TGF-β und IL-11 sich gegenseitig in ihrer Expression beeinflussten und IL-11 dabei die Expression von TGFB1 supprimierte. Auch die Produktion von verschiedenen Proteinen der extrazellulären Matrix wurde durch TGF-β und IL-11 moduliert. Dabei verminderte IL-11 vor allem die Transkription von Strukturproteinen. Der Einfluss von IL-11 auf die untersuchten extrazellulären Proteine Periostin, Fibronektin und Osteoglycin war deutlich geringer. Ein trans-signalling durch Hyper-IL-11 wies weitestgehend identische Effekte wie IL-11 auf, jedoch war es in seiner anti-fibrotischen Wirkung insbesondere auf transkriptioneller Ebene deutlich potenter. Mithilfe eines IL-11-Rezeptor-knockdowns und einer Blockierung des JAK2/STAT3-Signalweges konnten wir zeigen, dass die beobachteten Effekte STAT3-abhängig über den IL-11Rα vermittelt werden. Die gewonnen Erkenntnisse geben somit weitere wertvolle Hinweise auf eine TGF-β-antagonisierende und anti-fibrotische Rolle von IL-11 und machen es für therapeutische Überlegungen in der Zukunft interessant.
Beweisversuche von Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Mathematik-Olympiade: Entwicklung eines Analysemodells und empirische Ergebnisse zu den Klassenstufen 5 bis 8
(2024) Edel, Petra Carina
Aus einer ehrenamtlichen Tätigkeit im Bereich der Förderung von Teilnehmenden der Mathematik-Olympiade heraus ist ein Forschungsprojekt zur Mathematik-Olympiade in Deutschland entstanden. Dieses Projekt beschäftigt sich mit dem Führen von Beweisen, das bei der Mathematik-Olympiade von großer Bedeutung ist. Darauf fokussiert werden zuerst ausgewählte Aufgaben aus Mathematik-Olympiaden in Hinblick auf die durch sie gestellten Anforderungen untersucht. Danach werden Beweisversuche von Teilnehmenden der Mathematik-Olympiade analysiert sowie Bearbeitungen von Aufgaben zum Validieren und Bewerten fiktiver Beweisversuche ergänzend ausgewertet. Die Ergebnisse der Anforderungsanalyse und der Analyse vorhandener Beweiskompetenzen lassen sich mit Blick auf Ansatzpunkte für eine Förderung im Führen von Beweisen von Teilnehmenden der Mathematik-Olympiade interpretieren. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Ausschnitt dieses Forschungsprojekts. Sie beschäftigt sich mit Beweisversuchen von Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Mathematik-Olympiade in den Klassenstufen 5 bis 8. Als Beweisversuche werden dabei schriftlich vorliegende Bearbeitungen von Beweisaufgaben bezeichnet. In dieser Arbeit werden mehr als 1000 Beweisversuche zu einer Allaussage aus dem Themenbereich der Teilbarkeit ganzer Zahlen vergleichend untersucht, die im Rahmen der Wettbewerbsklausur der Regionalrunde der Mathematik-Olympiade 2016/17 in Nordrhein-Westfalen erhoben wurden. Dazu wird das Verfahren der qualitativ-strukturierenden Inhaltsanalyse nach Schreier (2012, 2014) angewendet. Es werden ein Kategoriensystem sowie zwei Klassifikationen entwickelt, die aus verschiedenen Perspektiven systematische Einblicke in mögliche und vorhandene Ausprägungen von Beweisversuchen geben können. Die Forschungsergebnisse legen dar, inwieweit es den Teilnehmenden in den einzelnen Klassenstufen 5 bis 8 gelungen ist, eine bestimmte Allaussage aus dem Bereich der Teilbarkeit ganzer Zahlen zu beweisen (1). Außerdem beschreiben die Ergebnisse, welche Charakteristika deren Beweisversuche u. a. bezüglich der Beispielnutzung und der Darstellungsmittel auszeichnen (2) und inwieweit Anknüpfungspunkte für die Weiterentwicklung der Beweisversuche zu einem Beweis zu erkennen sind (3). In Bezug auf alle drei Punkte wird aufgezeigt, welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit Blick auf die verschiedenen Klassenstufen bestehen. Die vorgelegte Arbeit bearbeitet auf diese Weise zwei Forschungsgegenstände: Zum einen können vor dem Hintergrund anderer mathematikdidaktischer Studien zum Führen von Beweisen das Analysemodell und die darauf aufbauenden Klassifikationen als die wesentlichen Beiträge der vorliegenden Dissertation zur mathematikdidaktischen Theoriebildung angesehen werden. Zum anderen und mit Blick auf die Mathematik-Olympiade ergänzen die empirischen Ergebnisse dieser Arbeit die vorhandenen Erkenntnisse zu Beweisversuchen von Schülerinnen und Schülern. Zusätzlich leisten die entwickelten theoretischen Elemente und die empirischen Ergebnisse einen wichtigen Beitrag, um zukünftig Angebote zur Förderung im Führen von Beweisen für Teilnehmende der Mathematik-Olympiade zu konzipieren.
Nicht-okklusive mesenteriale Ischämie (NOMI) - Assoziation mit der Verwendung differenter Vasokonstriktoren in der Herzchirurgie
(2024) Schülke, Jana
Zusammenfassung: Hintergrund und Fragestellung: Die nicht-okklusive mesenteriale Ischämie (NOMI) ist eine schwerwiegende postoperative Komplikation in der Herz- und Gefäßchirurgie, die zwar selten, aber wenn mit einer sehr hohen Mortalitätsrate auftritt. Da die Pathophysiologie noch nicht vollständig geklärt ist und sich die Diagnosestellung weiterhin schwierig gestaltet, ist die Prävention und die Identifizierung von Risikoparametern für die Entwicklung einer NOMI wichtig. Die Hyperlaktatämie ist ein weit verbreiteter Marker für die Ischämie, ist jedoch spätauftretend und wenig sensitiv und spezifisch. Daher haben wir klinische Risikofaktoren der NOMI identifiziert um präventive therapeutische Optionen aufzuzeigen. Methodik: Wir haben 634 Patient:innen (Alter 68,7 ± 11,1 Jahre) der Intensivstation des Universitätsklinikums Gießen mit elektiven, dringlichen oder notfallmäßigen kardiochirurgischen Eingriffen auf die Entwicklung einer Nicht-okklusiven mesenterialen Ischämie (NOMI) oder einer Hyperlaktatämie analysiert. NOMI positive Patient:innen wurden in einem Prospensity Score mit kardiochirurgischen Patient:innen ohne eine Hyperlaktatämie gematcht. Risikofaktoren für die Entwicklung einer NOMI wurden durch uni- und multivariate Regressionsanalysen sowie ROC-Analysen untersucht. Ergebnisse: NOMI-Patient:innen hatten präoperativ Multiklappenoperationen (p=0,047) und hatten bereits Multiklappenoperationen (Mitral- +Trikuspidalklappe; p<0,001), hatten signifikant häufiger Operationen mit einem aortokornaren Bypass (p=0,031), wurden postoperativ dialysepflichtig (p<0,001), wurden mit Vasopressin behandelt (p<0,001) und hatten eine erhöhte Mortalität (p<0,001). Die kardiochirurgische Reoperation erhöhte das Risiko der NOMI um den Faktor 2,018 (1,078/2,018/3,375;p=0,028), die Therapie mit Vasopressin um den Faktor 5,203 (2,726;5,203;9,93;p<0,001); insbesondere die Kombination von Noradrenalin und Vasopressin fördert die Entstehung der NOMI. Die Therapie mt Vasopressin war positiv prädiktiv für die NOMI (ROC =0.74;p<0,001). Die Schwelle der Vasopressintherapie für die Entstehung der NOMI in der Kohorte in Kombination mit Noradrenalin liegt bei 0,5 I.E./h (Sensitivität 0,617; Spezifität 0,831; Youden-Index: 0,45). Diskussion: Im Gegensatz zu derzeitigen Empfehlungen kann die Therapie mit Vasopressin, insbesondere in Kombination mit anderen Vasokonstriktoren, eine NOMI induzieren und sollte daher vorsichtig dosiert und engmaschig überwacht werden. Patient:innen mit erhöhte Risiko sind besonders jene mit kardiochrirugischen Reoperationen, kombinierten Klappenerkrankungen sowie Dialysepatient:innen. Eine weitere Erforschung der Pathophysiologie ist notwendig um neben präventiven Maßnahmen und Identifizierung von Risikofaktoren auch die Behandlung der NOMI zu verbessern.
Neue Aspekte der pulmonalen Hämodynamik zur Klassifikation, Prognoseabschätzung und Therapieevaluierung von Patienten mit Herzinsuffizienz
(2023) Rieth, Andreas Joachim
Hämodynamische Diagnostik gewinnt an Aussagekraft, wenn sie unter Belastung, nach pharmakologischer Veränderung der Lastverhältnisse und / oder unter Nutzung komplexerer Parameter und modifizierter Grenzwerte durchgeführt wird. Hierfür möchte die vorliegende Arbeit Belege aus der klinischen Forschung liefern. Die Pathophysiologie der Herzinsuffizienz besteht neben der Tendenz zur Flüssigkeitsretention hauptsächlich in einem Unvermögen zur adäquaten Anpassung des Herzzeitvolumens an die Erfordernisse des Belastungsmetabolismus. Dieses Unvermögen im Rahmen eines hämodynamischen Belastungstests darzustellen und zu quantifizieren, könnte eine fundamentale Verbesserung in der HI-Diagnostik darstellen, beispielsweise für die Kandidatenselektion für Ausnahmetherapien wie HTX und LVAD. Als Ergänzung zu etablierten Risikoparametern wie Biomarkern oder der maximal erreichten Sauerstoffaufnahme in der Spiroergometrie konnte gezeigt werden, dass die Steigerung des CO (DCO) im Rahmen eines submaximalen hämodynamischen Belastungstests bei Patienten mit HFrEF aussagekräftige Informationen zur Schwere ihrer HI liefert. In Kombination mit der Steigerung des sPAP ergaben sich unterschiedliche hämodynamische Profile, bei denen ein D sPAP in Kombination mit DCO unter den definierten Schwellenwerten die schlechteste Prognose bedeutete und vice versa. Mit der Nutzung von D sPAP scheint es möglich, die RVKomponente des Gesamt-CO gesondert zu betrachten und die herausragende Bedeutung der RHI für den Schweregrad der LHI deutlich zu machen. Die Klassifizierung von Patienten mit HI alleine anhand ihrer LVEF lässt wichtige Komponenten außer Acht, was am Beispiel von Patienten mit HFpEF und HFrEF untersucht wurde. Hierbei stellte sich heraus, dass die Schwere der HI - definiert durch D CO und andere Parameter der Belastungshämodynamik - sich nicht wesentlich zwischen diesen beiden LVEFKlassen unterschied. Andere Faktoren schienen für die Erkrankungsschwere ausschlaggebend zu sein, und die Forschungshypothese war, dass die Rechtsherzfunktion hier eine entscheidende Rolle spielt. Diese Hypothese wurde durch die Ergebnisse einer Sekundäranalyse gestützt, in der zunächst eine Einteilung des gesamten Kollektivs unabhängig von der LVEF nach der Rechtsherzfunktion (unter Nutzung des Parameters TAPSE/PASP) erfolgte. Diese Stratifizierung führte zu signifikanten Unterschieden der Belastungshämodynamik mit klinischer Relevanz. Auch an diesem Patientenkollektiv ließ sich mit der Kombination aus Rechtsherzechokardiographie und Belastungs-RHK eine Schlüsselrolle des rechten Herzens bei Patienten mit LHI demonstrieren. Die Kombination aus Belastungs-RHK und Biomarkermessungen unter Belastung wurde an einem Kollektiv von Patienten mit CTEPH / CTEPD untersucht, die keine Anhaltspunkte für eine LHI aufwiesen. Ein übermäßiger Anstieg des RAP unter Belastung als Ausdruck der RVInsuffizienz ermöglichte unabhängig vom Ruhe-RAP signifikante Aussagen über die Risikoklassifizierung und damit die Schwere der RHI. Die parallel durchgeführten Biomarkermessungen zeigten einen engen Zusammenhang mit der rechtsatrialen Hämodynamik, so dass die Biomarkerfreisetzung aufgrund von RA-Wandspannung damit belegt werden konnte. Auch hier stellte sich die Belastungshämodynamik als hilfreiches Mittel dar, die Pathophysiologie der RHI besser zu verstehen und herkömmliche Risikostrategien - wie in diesem Fall das ESC-PH-Risikomodell - differenziert zu ergänzen. Nicht nur eine Belastungsprovokation ist in der Lage, Mechanismen der HI aufzudecken, sondern auch die Gabe von Pharmaka. Traditionell als so genannte "Vasoreagibilitätstestung" mit ungewisser Aussagekraft durchgeführt, kam in unserer Untersuchung von Patienten mit postkapillärer PH und LHI (mit unterschiedlicher LVEF) eine eher als "Entlastungstest" anzusehende Intervention zum Einsatz. In einer umfassenden Analyse zahlreicher Parameter des Ruhe-RHK vor und nach Gabe von GTN waren drei davon von herausragender Aussagekraft für die Prognose der Patienten. Es handelte sich um komplexere Parameter der Beziehung von Druck zu Fluss im Lungenkreislauf - und alle drei waren nach GTN-Gabe gemessen. Insgesamt ragte der Parameter PAC heraus, der durch die GTN-Gabe wesentlich an Aussagekraft hinzugewann. Nach unserer Interpretation wurden diejenigen Patienten durch die Intervention charakterisiert, die trotz der pharmakologischen Entlastung des Lungenkreislaufs noch ein hohes Maß an oszillatorischer RV-Nachlast aufwiesen und von einer reduzierten Lebenserwartung letztlich durch RHI betroffen waren. Bei der interventionellen Klappenreparatur einer MI spielt die Kandidatenauswahl für den Erfolg eine wesentliche Rolle. Wir untersuchten an Patienten mit primärer und sekundärer MI, inwieweit belastungshämodynamische Parameter einen Erfolg der nachfolgend durchgeführten Klappenreparatur vorhersehbar machen. Es zeigte sich, dass vor allem ein Parameter signifikant mit dem Überleben und der klinischen Verbesserung nach dem Eingriff verbunden war: der Anstieg der Höhe der V-Welle in der PAWP-Druckkurve. Je höher der Anstieg, desto eher wurden Überleben und Symptomatik verbessert, was wir dahingehend interpretieren, dass der Eingriff bei den Patienten mit hohem Anstieg den entscheidenden Punkt in der Pathophysiologie bei hämodynamisch schwergradigem Vitium positiv beeinflusste. Der CO-Anstieg unter Belastung spielte für den Interventionserfolg ebenfalls eine Rolle, so dass die präinterventionelle Belastungshämodynamik relevante Informationen sowohl zur hämodynamischen Signifikanz der MI als auch zur Schwere der HI liefern konnte. Die Kandidatenauswahl spielt ebenfalls eine herausragende Rolle für die erfolgreiche Durchführung einer HTX. Hier gibt es eine Fülle bekannter Risikofaktoren für einen ungünstigen Verlauf, von denen allerdings nur ein Teil beeinflusst werden kann. Wir untersuchten den Stellenwert standardmäßiger und komplexerer hämodynamischer Parameter für die Überlebenswahrscheinlichkeit und RHI nach HTX. Ein bisher in der Routine nicht benutzter Index des Verhältnisses zwischen Druck und Fluss in der Pulmonalarterie (Ea) zeigte die stärkste Assoziation mit Sterblichkeit und RHI nach HTX in unserer Kohorte. Der etablierte Parameter PVR zeigte eine untergeordnete Relevanz, die jedoch verbessert wurde, wenn für die Kategorisierung ein niedrigerer als der leitliniengemäß etablierte PVR-Grenzwert verwendet wurde. Eine Übertragung dieser Ergebnisse in die klinische Praxis würde bedeuten, dass mittels entsprechend erhöhter Werte für Ea oder PVR (mit reduziertem Grenzwert) mehr Risikopatienten für einen ungünstigen Verlauf nach HTX identifiziert werden würden. Diese könnten dann vor der HTX bis hin zur frühzeitigen LVAD-Implantation intensiviert behandelt werden, um ihren Verlauf nach HTX zu verbessern. Zusammenfassend konnte in dieser Habilitationsschrift beschrieben werden, wie die Aussagekraft hämodynamischer Messungen durch Belastungstests, pharmakologische Provokation und Nutzung komplexerer Parameter an Aussagekraft gewinnen kann. Hierdurch wird eine Nutzung der Hämodynamik für konkrete klinische Entscheidungen in besonderen Situationen ermöglicht, wie sie bisher im klinischen Alltag wenig stattfindet.
The SMARCAD1-orthologue Fft2 is a novel RNA binder and linked to the nuclear RNA exosome
(2023-02) Fleischhauer, Philip
In this study, the role of Fft2, a member of the SMARCAD1 family, is investigated for the ability of posttranscriptional regulation an nuclear RNA exosome interaction in the model organism S. pombe. Using a combination of functional and biochemical approaches, a novel RNA-binding activity mediated by the N-terminal extension was demonstrated for Fft2. It was also shown that Fft2 is recruited to specific chromatin regions in an exosome-dependent manner and that this recruitment is negatively affected by mutations of the exosome components Rrp6 and Mtl1. The author also demonstrated that Fft2 is recruited in an Rrp6-dependent manner to long terminal repeats (LTRs). He also shows that deletion of Fft2 accelerates spore formation but does not lead to impaired chromosome segregation. However, the members of the Fft family show a diverse response to environmental factors, suggesting a functional division of tasks. Overall, this work provides new insights into the role of Fft2, its connection to exosome-dependent regulation of gene expression in S. pombe and a potential crosstalk between the SMARCAD1 family and RNA metabolism.
Exploring chemokine-mediated inflammatory responses in the testis and epididymis: insights into ectopic lymphoid organ formation
(2024) Hasan, Hiba
Infertility is regarded as a worldwide problem where male factors account for approximately 50% of infertility cases. To date, a plethora of causes have been identified that can contribute to male infertility. Among the identifiable and potentially curable causes, infection and inflammation of the genital tract are the most frequent. Experimental autoimmune epididymo-orchitis (EAEO) is a mouse model of chronic testicular inflammation characterized by several symptoms reported also in cases of infertility in men. They include immune cell infiltration, elevation of pro-inflammatory and pro-fibrotic mediators (e.g. TNF, CCL2, activin A), impairment of spermatogenesis, destruction of the seminiferous tubule architecture as well as steroidogenic disturbances and fibrotic remodeling. CCL2 and its receptor CCR2 are well-characterized as a major chemokine signaling pathway involved in recruitment of monocytes and macrophages to sites of inflammation, where they contribute to tissue damage. Activin A, a pleiotropic factor whose production correlates with the severity of EAEO, has the capacity to modulate expression of chemokine receptors and ligands, specifically CCR2. Consequently, this study aimed to investigate how the chemokine network is changing during testicular inflammation in C57BL/6J (WT) and CCR2 deficient (Ccr2-/-) mice and how activin A can influence the expression of chemokines and their receptors. EAEO was induced in WT and Ccr2-/- mice and the testes were collected 50 days from the first immunization. The mRNA expression results show that the key chemokines and their receptors essential for macrophage trafficking are increased in EAEO testis, while the deficiency of CCR2 attenuates these changes. The expression of chemokine/chemokine-receptor-encoding genes was examined in human testicular biopsies. Accordingly, an increase in macrophages expressing CCR2 was demonstrated in human testicular biopsies with impaired spermatogenesis and focal leukocytic infiltrates. Importantly, the biopsies showing impaired spermatogenesis and concomitant focal leukocytic infiltration exhibited higher expression of CCL2 and CCR2 than control biopsies with no signs of inflammation and intact spermatogenesis. Moreover, using an in-vitro setup where bone marrow derived macrophages were used as a surrogate for testicular macrophages, it was revealed that activin A serves as an essential regulator of chemokine network expression. The inhibitor of activin A, follistatin, ameliorated the effects on the chemokine network. To add, macrophages were identified as the major cell population in EAEO testis expressing activin A. This implicates both CCR2 and activin A as potential therapeutical targets. Alterations in chemokine expression can predispose the affected tissue to immune cell infiltration, which can in some instances organize into aggregates that resemble lymph nodes in their structure, composition, chemokine expression as well as their functionality. Tertiary lymphoid organs (TLO) develop as a consequence of inflammation, which can be driven by a myriad of causes, such as infection and autoimmunity. Therefore, in the second part of the study, the putative development of TLO in the testis and epididymis under inflammatory conditions was investigated using two mouse models, i.e., sterile EAEO and acute UPEC-infection. Acute epididymitis is commonly caused by bacteria, where UPEC is a predominant pathogen. In the UPEC-infection model, different parts of the epididymis respond differently to the infection, so that the cauda epididymidis is selectively severely damaged displaying interstitial fibrosis, loss of epithelial integrity, increase in luminal diameter, immune cell infiltration and abscess formation. The results revealed that elements of TLO formation were not found in the EAEO testis, but they were detected in the inflamed cauda epididymidis. The cauda from EAEO mice and especially from animals infected with UPEC exhibited multiple elements and immune cells associated with TLO formation. UPEC-infected cauda epididymides showed the presence of distinct B and T cell zones, with high endothelial venules (HEV) in the T cell region containing CXCL13 within their lumen. Importantly, the B cells were proliferating, highlighting their possible role in performing germinal center reaction activities. In addition, the clustered immune cells demonstrated a reticular network, which could provide structural support and influence migration of immune cells and formation of antibodies. The B and T cells clustered into separate zones and this was in accordance with the high expression of TLO-related chemokines (Cxcl13, Ccl19 and Ccl21). Moreover, the genes critical for HEV formation (Tnf, Ltα) and maturation (Ltβ, Tnfsf14) were elevated. The cauda of EAEO mice also developed TLO and HEV, but in a less organized manner. Based on these results, it is speculated that the epididymis is susceptible to TLO formation under inflammatory conditions. Future studies investigating the impact of TLO development in the epididymis on male fertility are needed.
Nahua-Stimmen aus dem kolonialen Zentralmexiko. Für das Überleben ihrer politisch-gesellschaftlichen Überzeugungen
(2024) Herzog, Richard
Die Hauptquellen und zugleich die Protagonisten dieser Dissertation sind Fernando de Alva Ixtlilxochitl (ca. 1578-1650) und Domingo de Chimalpahin (1579-ca. 1660). Die Analyse ihrer Werke ermöglicht einen einzigartigen Blick auf globale Transfers, der in den Erfahrungen der Nahua in Zentralmexiko verwurzelt bleibt. Durch den Fokus auf Formen der politischen Organisation zeigt die Studie, wie die koloniale Neuordnung in Zentralmexiko Perspektiven und Lebenswege der Nahua-Autoren beeinflusste. Beide einheimischen Autoren nahmen an den grenzüberschreitenden Informationsnetzwerken des spanischen Imperiums teil, was sich in ihren transnationalen politischen Ideen und Erzählstrategien widerspiegelt. Indem sie das prähispanische Mesoamerika in eine christlich geprägte Universalgeschichte einschrieben, versuchten sie, ihre Vorfahren auf eine mit Europa vergleichbare Ebene zu stellen. Nicht zuletzt erlaubt die vergleichende Studie dieser beiden Gelehrten einen besonders facettenreichen Blick auf das Leben subalterner Menschen in einer zwangsläufig widersprüchlichen kolonialen Situation: geprägt von Anpassung und Widerstand, Vergessen und Kontinuität der Geschichte. Verschiedene neue Impulse ergeben sich aus der Themenwahl: Während der Einfluss europäischer Politikkonzepte auf andere Regionen oft untersucht wurde, wird dieser Blick hier umgekehrt, indem die politischen Konzepte indigener Akteure zwischen Europa und Mexiko in den Mittelpunkt gestellt werden. Die Auseinandersetzung mit diesen Fragen anhand von Chimalpahin und Alva Ixtlilxochitl bereichert die aktuelle Forschung auf mehreren Ebenen. Erstens durch die vergleichende Gegenüberstellung der beiden, die bisher von Anthropologen, Ethnohistorikern und Hispanisten weitgehend getrennt untersucht wurden. Die umfassende Analyse sowohl der prähispanischen als auch der kolonialen Entwicklungen überschreitet somit disziplinäre Grenzen. Zweitens wird durch die Fokussierung auf globale Perspektiven der Nahua Neuland betreten, indem zum Beispiel eine Verbindung zu Studien über die Rezeption der Antike in Lateinamerika und zu indigenen Menschen in Übersee hergestellt wird. Ein globaler Ansatz erweitert sowohl die Begriffsgeschichte als auch die Geistesgeschichte, um weitere wichtige Kommunikations- und Übersetzungsprozesse einzubeziehen. In diesem Sinne versucht diese Arbeit eine transkulturelle, zweisprachige Begriffsgeschichte mit dem Studium von Werken auf Spanisch und Nahuatl unter Berücksichtigung konzeptueller Übertragungen. Aufbauend auf dekolonialen Ideen zielt sie darauf ab, die zentrale Bedeutung von Austauschprozessen im Gegensatz zu eurozentrischen Auffassungen zu betonen und die Widerstandsfähigkeit lokaler Traditionen hervorzuheben. Gleichzeitig können die Perspektiven der Nahua auf ihre eigenen Gemeinschaften westliche Vorstellungen von Staatlichkeit, Politik und letztlich auch von möglichen Lebensformen erweitern.

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