A molecular dynamics study of the influence of chain branching on the properties of polymer systems

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluß von Kettenverzweigungen unterschiedlicher Topologien auf die statischen Eigenschaften von Polymeren. Diese Untersuchungen werden mit Hilfe von Monte-Carlo- und Molekular-Dynamik-Simulationen durchgeführt.Zunächst werden einige theoretische Konzepte und Modelle eingeführt, welche die Beschreibung von Polymerketten auf mesoskopischen Längenskalen gestatten. Es werden wichtige Bestimmungsgrößen eingeführt und erläutert, welche zur quantitativen Charakterisierung von Verzweigungsstrukturen bei Polymeren geeignet sind. Es wird ebenso auf die verwendeten Optimierungstechniken eingegangen, die bei der Implementierung des Computerprogrammes Verwendung fanden. Untersucht werden neben linearen Polymerketten unterschiedliche Topolgien -Sternpolymere mit variabler Armzahl, Übergang von Sternpolymeren zu linearen Polymeren, Ketten mit variabler Zahl von Seitenketten, reguläre Dendrimere und hyperverzweigte Strukturen - in Abhängigkeit von der Lösungsmittelqualität. Es wird zunächst eine gründliche Analyse des verwendeten Simulationsmodells an sehr langen linearen Einzelketten vorgenommen. Die Skalierungseigenschaften der linearen Ketten werden untersucht in dem gesamten Lösungsmittelbereich vom guten Lösungsmittel bis hin zu weitgehend kollabierten Ketten im schlechten Lösungsmittel. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Bestätigung der Korrekturen zum Skalenverhalten des hydrodynamischen Radius Rh. Dieses Ergebnis war möglich aufgrund der großen gewählten Kettenlängen und der hohen Qualität der erhaltenen Daten in dieser Arbeit, insbesondere bei den linearen ketten, und es steht im Widerspruch zu vielen bisherigen Simulations-Studien und experimentellen Arbeiten. Diese Korrekturen zum Skalenverhalten wurden nicht nur für die linearen Ketten, sondern auch für Sternpolymere mit unterchiedlicher Armzahl gezeigt. Für lineare Ketten wird der Einfluß von Polydispersität untersucht.Es wird gezeigt, daß eine eindeutige Abbildung von Längenskalen zwischen Simulationsmodell und Experiment nicht möglich ist, da die zu diesem Zweck verwendete dimensionslose Größe eine zu schwache Abhängigkeit von der Polymerisation der Ketten besitzt. Ein Vergleich von Simulationsdaten mit industriellem Low-Density-Polyäthylen(LDPE) zeigt, daß LDPE in Form von stark verzweigten Ketten vorliegt.Für reguläre Dendrimere konnte ein hochgradiges Zurückfalten der Arme in die innere Kernregion nachgewiesen werden.

Eocene nappe tectonics and late Alpine extension in the Central Anatolide belt, western Turkey

Strukturgeologische Untersuchungen belegen, daß die Anatoliden der Westtürkei im Eozän durch die Plazierung der Kykladischen Blauschiefereinheit entlang einer durchbrechenden Überschiebung auf die Menderes-Decken unter grünschieferfaziellen Metamorphosebedingungen entstanden.Die kykladischen Blauschiefer in der Westtürkei enthalten Relikte eines prograden alpinen Gefüges (DA1), welches hochruckmetamorph von Disthen und Chloritoid poikiloblastisch überwachsen wurde. Dieses Mineralstadium dauerte noch während des Beginns des nachfolgenden Deformationsereignisses (DA2) an, welches durch NE-gerichtete Scherung und Dekompression charakterisiert ist. Die nachfolgende Deformation (DA3) war das erste Ereignis, das beide Einheiten, sowohl die kykladische Blauschifereinheit als auch die Menderes-Decken, gemeinsam erfaßte. Der Überschiebungskontakt zwischen der kykladischen Blauschiefereinheit und den Menderes-Decken ist eine DA3-Scherzone: die ‘Cycladic-Menderes Thrust’ (CMT). Entlang der CMT-Überschiebungsbahn wurden die kykladischen Blauschiefer gegen veschiedene Einheiten der MN plaziert. Die CMT steigt nach S zum strukturell Hangenden hin an und kann daher als eine durchbrechende Überschiebung entlang einer nach S ansteigenden Rampe betrachtet werden. In den kykladischen Blauschiefern überprägen DA3-Strukturen, die im Zusammenhang mit der CMT stehen, hochdruckmentamorphe Gefüge.In den Menderes-Decken, dem Liegenden der CMT, wird DA3 durch regional vebreitete Gefügeelemente dokumentiert, die im Zusammenhang mit S-gerichteten Schersinnindikatoren stehen. DA3-Gefüge haben die Decken intern deformiert und bilden jene Scherzonen, welche die Decken untereinander abgrenzen. In der Çine-Decke können granitische Gesteine in Orthogneise und Metagranite unterteilt werden. Die Deformationsgeschichte dieser Gesteine dokumentiert zwei Ereignisse. Ein frühes amphibolitfazielles Ereignis erfaßte nur die Orthogneise, in denen vorwiegend NE-SW orientierte Lineare und NE-gerichtete Schersinnindikatoren entstanden. Die jüngeren Metagranite wurden sowohl durch vereinzelte DA3-Scherzonen, als auch in einer großmaßstäblichen DA3-Scherzone am Südrand des Çine-Massivs deformiert. In DA3-Scherzonen sind die Lineare N-S orientiert und die zugehörigen Schersinnindikatoren zeigen S-gerichtete Scherung unter grünschieferfaziellen Bedingungen an. Diese grünschieferfaziellen Scherzonen überprägen die amphibolitfaziellen Gefüge in den Orthogneisen. Magmatische Zirkone aus einem Metagranit, der einen Orthogneiss mit Top-NE Gefügen durchschlägt, ergaben ein 207Pb/206Pb-Alter von 547,2±1,0 Ma. Dies deutet darauf hin, daß DPA proterozoischen Alters ist. Dies wird auch durch die Tatsache gestützt, daß triassische Granite in der Çine- und der Bozdag-Decke keine DPA-Gefüge zeigen. Die jüngeren Top-S-Gefüge sind wahrscheinlich zur gleichen Zeit entstanden wie die ältesten Gefüge der Bayindir-Decke.Das Fehlen von Hochdruck-Gefügen im Liegenden der CMT impliziert eine Exhumierung der kykladischen Blauschiefer von mehr ca. 35 km, bevor diese im Eozän auf die Menderes-Decken aufgeschoben wurden. Die substantiellen Unterschiede bezüglich in der tektonometamorphen Geschichte der kykladischen Blauschiefer und der Menderes-Decken widersprechen der Modellvorstellung eines lateral kontinuierlichen Orogengürtels, nach der die Menderes-Decken als östliche Fortsezung der kykladischen Blauschiefer angesehen werden.Die Analyse spröder spätalpiner Deformationsstrukturen und das regionale Muster mit Hilfe von Spaltspurdatierung modellierter Abkühlalter deuten darauf hin, daß die Struktur des Eozänen Deckenstapels durch miozäne bis rezente Kernkomplex-Bildung stark modifiziert wurde. Eine großmaßstäbliche Muldenstruktur im zentralen Teil der Anatoliden hat sich als Folge zweier symmetrisch angeordneter Detachment-Systeme von initial steilen zu heute flachen Orientierungen im Einflußbreich von ’Rolling Hinges’ gebildet. Die Detachment-Störungen begrenzen den ‘Central Menderes metamorphic core complex’ (CMCC). Das Muster der Apatit-Spaltspuralter belegt, daß die Bildung des CMCC im Miozän begann. Durch die Rück-Deformierung von parallel zur Foliation konstruierten Linien gleicher Abkühlalter kann gezeigt werden, daß die Aufwölbung im Liegenden der Detachments zur Entstehung der Muldenstruktur führte. Das hohe topographische Relief im Bereich des CMCC ist eine Folge der Detachment-Störungen, was darauf hindeutet daß der obere Mantel in den Prozeß mit einbezogen gewesen ist.

Gene therapy for a novel mouse model of Canavan disease

Canavan disease (CD) is a rare leukodystrophy caused by loss-of-function mutations in the gene encoding aspartoacylase (ASPA), an oligodendrocyte-enriched enzyme. It is characterised by the accumulation of the ASPA substrate N-acetylaspartate (NAA) in brain, blood and urine, leading to a spongiform vacuolisation of the brain, severe motoric and cognitive impairments and premature death. To date, no therapy is available due to the lack of a gene-transfer system allowing transgene expression in oligodendrocytes (OLs) and the restoration of the missing enzyme. Hence, the aim of this study was to establish a novel gene-transfer system and its preclinical evaluation in a CD animal model.rnIn the first part of this thesis, a novel ASPA mouse mutant was generated. A βgeo cassette (including the genes encoding β-galactosidase and neomycin) flanked by frt sites was inserted into intron 1 of the intact aspa gene. Additionally, exon 2 was flanked by loxP sites for optional conditional deletion of the targeted locus. The resulting ASPA-deficient aspalacZ/lacZ-mouse was found to be an accurate model of CD and an important tool to identify novel aspects of its complex pathology. Homozygous mutants showed a CD-like histopathology, neurological impairment, behavioural deficits as well as a reduced body weight. Additionally, MRI data revealed changes in brain metabolite composition. rnRecombinant adeno-associated viral (rAAV) vectors have become a versatile tool for gene transfer to the central nervous system because they are efficient, non-toxic and replication-deficient. Based on the natural neurotropism of AAV vectors, AAV-based gene delivery has entered the clinics for the treatment of neurodegenerative diseases. However, the lack of AAV vectors with oligodendroglial tropism has precluded gene therapy for leukodystrophies. In the second part of this work, it was shown that the transduction profile of established AAV serotypes can be targeted towards OLs in a transcriptional approach, using the oligodendrocyte-specific myelin basic protein (MBP) promoter to drive transgene expression in OLs.rnIn the last part of this work, the therapeutic efficacy of AAV-mediated aspa gene transfer to OLs of juvenile aspalacZ/lacZ mice was evaluated. AAV-aspa injections into multiple sites of the brain parenchyma resulted in transduction of OLs in the grey and white matter throughout the brain. Histological abnormalities in the brain of ASPA-deficient mice were ameliorated and accompanied by a reduction of NAA levels. Furthermore, the treatment resulted in normalisation of body weight, motor function and nest-building behaviour. These data provide a proof-of-concept for a successful gene therapy of Canavan disease. This might pave the way towards translation into clinical application and serve as the basis for the genetic treatment of other leukodystrophies.

Detrimental effects of exuberant and restrained immune responses against the central nervous system in the context of multiple sclerosis and glioblastoma multiforme

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and most aggressive astrocytic tumor of the central nervous system (CNS) in adults. The standard treatment consisting of surgery, followed by a combinatorial radio- and chemotherapy, is only palliative and prolongs patient median survival to 12 to 15 months. The tumor subpopulation of stem cell-like glioma-initiating cells (GICs) shows resistance against radiation as well as chemotherapy, and has been suggested to be responsible for relapses of more aggressive tumors after therapy. The efficacy of immunotherapies, which exploit the immune system to specifically recognize and eliminate malignant cells, is limited due to strong immunosuppressive activities of the GICs and the generation of a specialized protective microenvironment. The molecular mechanisms underlying the therapy resistance of GICs are largely unknown. rnThe first aim of this study was to identify immune evasion mechanisms in GICs triggered by radiation. A model was used in which patient-derived GICs were treated in vitro with fractionated ionizing radiation (2.5 Gy in 7 consecutive passages) to select for a more radio-resistant phenotype. In the model cell line 1080, this selection process resulted in increased proliferative but diminished migratory capacities in comparison to untreated control GICs. Furthermore, radio-selected GICs downregulated various proteins involved in antigen processing and presentation, resulting in decreased expression of MHC class I molecules on the cellular surface and diminished recognition potential by cytotoxic CD8+ T cells. Thus, sub-lethal fractionated radiation can promote immune evasion and hamper the success of adjuvant immunotherapy. Among several immune-associated proteins, interferon-induced transmembrane protein 3 (IFITM3) was found to be upregulated in radio-selected GICs. While high expression of IFITM3 was associated with a worse overall survival of GBM patients (TCGA database) and increased proliferation and migration of differentiated glioma cell lines, a strong contribution of IFITM3 to proliferation in vitro as well as tumor growth and invasiveness in a xenograft model could not be observed. rnMultiple sclerosis (MS) is the most common autoimmune disease of the CNS in young adults of the Western World, which leads to progressive disability in genetically susceptible individuals, possibly triggered by environmental factors. It is assumed that self-reactive, myelin-specific T helper cell 1 (Th1) and Th17 cells, which have escaped the control mechanisms of the immune system, are critical in the pathogenesis of the human disease and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). It was observed that in vitro differentiated interleukin 17 (IL-17) producing Th17 cells co-expressed the Th1-phenotypic cytokine Interferon-gamma (IFN-γ) in combination with the two respective lineage-associated transcription factors RORγt and T-bet after re-isolation from the CNS of diseased mice. Pathogenic molecular mechanisms that render a CD4+ T cell encephalitogenic have scarcely been investigated up to date. rnIn the second part of the thesis, whole transcriptional changes occurring in in vitro differentiated Th17 cells in the course of EAE were analyzed. Evaluation of signaling networks revealed an overrepresentation of genes involved in communication between the innate and adaptive immune system and metabolic alterations including cholesterol biosynthesis. The transcription factors Cebpa, Fos, Klf4, Nfatc1 and Spi1, associated with thymocyte development and naïve T cells were upregulated in encephalitogenic CNS-isolated CD4+ T cells, proposing a contribution to T cell plasticity. Correlation of the murine T-cell gene expression dataset to putative MS risk genes, which were selected based on their proximity (± 500 kb; ensembl database, release 75) to the MS risk single nucleotide polymorphisms (SNPs) proposed by the most recent multiple sclerosis GWAS in 2011, revealed that 67.3% of the MS risk genes were differentially expressed in EAE. Expression patterns of Bach2, Il2ra, Irf8, Mertk, Odf3b, Plek, Rgs1, Slc30a7, and Thada were confirmed in independent experiments, suggesting a contribution to T cell pathogenicity. Functional analysis of Nfatc1 revealed that Nfatc1-deficient CD4+ T cells were restrained in their ability to induce clinical signs of EAE. Nfatc1-deficiency allowed proper T cell activation, but diminished their potential to fully differentiate into Th17 cells and to express high amounts of lineage cytokines. As the inducible Nfatc1/αA transcript is distinct from the other family members, it could represent an interesting target for therapeutic intervention in MS.rn