Optimizing immobilized cultivation of Haematococcus pluvialis for astaxanthin production

Die Produktion von Astaxanthin mittels Haematococcus pluvialis ist eines der wichtigsten Fachgebiete der Mikroalgen Biotechnologie. Kommerzielles Interesse ist zurückzuführen auf dessen Anwendungen als Pigment in der Tierzucht und neuerdings auch im Bereich des Gesundheitswesens, begründet auf seiner starken anti-oxidativen Wirkung. Allerdings begrenzen die Herausforderungen in der industriellen Produktion von H. pluvialis, in Bezug auf den Metabolismus der Alge wie gleichermaßen auch die Kultivierungsstrategie, immer noch den Markt für natürliches Astaxanthin. Die derzeit gängigen Kultivationstechnologien basieren auf Suspensionssystemen, welche weitgehende Nachteile mit sich führen, wie hoher Wasser-, Energie und Technikaufwand. Diese Probleme können durch die Anwendung einer immobilisierten Kultivation vermieden werden, weshalb diesem Verfahren immer mehr Aufmerksamkeit zu Teil wird. In dieser Arbeit wurde H. pluvialis als immobilisierte Kultur in einem Twin-Layer PSBR verwendet. Insgesamt wurden 26 verschiedene Arten von H. pluvialis gefunden, die als Biofilm wachsen und Astaxanthin produzieren konnten, wobei der Stamm CCAC 0125 zur weiteren Optimierung des Prozesses ausgewählt wurde. Biomasse und Astaxanthin Produktion stiegen zunehmenden in Abhängigkeit zu der Lichtintensität, bis einschließlich 1,015 µmol Photonen m-2 s-1, ohne Anzeichen von Photoinhibition. Maximale Biomasse Produktivität von 19.4 g m-2 d-1 wurde unter starken Lichtverhältnissen verzeichnet. Nährstofflimitierungen und Salinität unterstützen die Astaxanthin Produktion hinderten allerdings das Wachstum der Biomasse. Nichtdestotrotz, wurde die höchste Astaxanthin Produktivität von 0.507 g m-2 d-1 mit einem Biomasseanteil von 3.5% in der Trockenmasse durch starke Belichtung sowie Stickstoff- und Phosphatmangel erreicht. Diese Ergebnisse bestärken die Verwendung der immobilisierten Kultivation von H. pluvialis als Alternative zu den derzeitigen Technologien. Die Verknüpfung von hoher Biomasse mit der Produktion von Astaxanthin bei starkem Lichtintensitäten wurde nur durch die Anordnung in einem Biofilm ermöglicht. Es kann einen Durchbruch in der kommerziellen Herstellung von H. pluvialis darstellen, da hierbei das Vorziehen der Kulturen bei geringen Licht entfällt, was wiederum den derzeit verwendeten komplexen Zwei-Stufen Prozess stark vereinfacht.

MicroRNA-induced polarization of microglia and macrophages after focal cerebral ischemia

Der ischämische Schlaganfall ist nicht nur die zweithäufigste Todesursache weltweit, sondern auch eine der Hauptursachen für körperliche Beeinträchtigungen im Erwachsenenalter. Das Ausmaß der durch den Schlaganfall hervorgerufenen Gewebeschädigung ist stark durch das Immunsystem geprägt. Die im Zentralnervensystem (ZNS) ansässigen Mikroglia und die aus dem Blutsystem infiltrierenden Makrophagen sind die Schlüsselzellen der lokalen und systemischen Entzündungsantwort nach dem ischämischen Schlaganfall. Sowohl Mikroglia als auch Makrophagen spielen in der Entwicklung der Gewebeschädigung eine duale Rolle. Zum einen phagozytieren sie Zelltrümmer und unterstützen neuroregenerative Prozesse, zum anderen sind diese Zellen in der Lage den Zustand der Gewebsschädigung zu verschlimmern und einer Regeneration des ZNS entgegenzuwirken. Die Polarisierung der Mikroglia/Makrophagen hin zu verschiedenen Phänotypen ist abhängig von der jeweiligen Phase der Gewebeschädigung. Der destruktive, proinflammatorische Phänotyp (M1) steht dabei dem protektiven, antiinflammatorischen Phänotyp (M2) gegenüber. Die Notwendigkeit einer zielgerichteten Regulierung der polarisierten Mikroglia/Makrophagen zum protektiven M2-Phänotyp wurde bereits mehrfach im Zusammenhang mit der Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen erwähnt. In der vorliegenden Dissertation soll die immunregulierende und neuroprotektive Wirkung der microRibonukleinsäure-124 (miRNA-124) in Bezug auf die Polarisierung von Mikroglia/Makrophagen zu verschiedenen Zeitpunkten nach Verschluss der Arteria cerebri media (ACM) im Gehirn von Mäusen gezeigt werden. Zu diesem Zweck wurde die liposomierte miRNA-124 zu einem frühen Zeitpunkt (Tag 2) und zu einem späten Zeitpunkt (Tag 10) nach Verschluss der ACM verabreicht. Die Behandlung mit der miRNA-124 zu einem frühen Zeitpunkt resultierte dabei in einem signifikanten Anstieg in der Anzahl der M2-positiven Mikroglia/Makrophagen im Vergleich zur Kontrollgruppe. Gleichzeitig nahm die Anzahl der M1-positiven Mikroglia/Makrophagen signifikant ab. Im Wesentlichen resultierte die Behandlung mit der miRNA-124 zu beiden Zeitpunkten in einem geringeren Verhältnis von proinflammatorischen (M1) zu antiinflammatorischen (M2) Mikroglia/Makrophagen. Zu den weiteren Erkenntnissen einer frühzeitigen Behandlung im Rahmen dieser Dissertation gehören: (i) eine signifikante Zunahme des neuronalen Überlebens, das zudem positiv mit der Anzahl der M2-positiven Mikroglia/Makrophagen korreliert, (ii) eine verbesserte funktionelle Erholung, welche in Verbindung mit den veränderten neuroinflammatorischen Ereignissen steht und (iii) ein signifikant verkleinertes Läsionsareal, welches durch reaktive Astrozyten zum gesunden Gewebe hin abgegrenzt wird. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die Verabreichung von miRNA-124 eine neue Möglichkeit zur Regulierung der Immunantwort und der Neuroprotektion im Rahmen der Behandlung des ischämischen Schlaganfalls darstellt.