Synaptic connectivity in micropatterned networks of neuronal cells

The presented thesis describes the formation of functional neuronal networks on an underlying micropattern. Small circuits of interconnected neurons defined by the geometry of the patterned substrate could be observed and were utilised as a model system of reduced complexity for the behaviour of neuronal network formation and activity. The first set of experiments was conducted to investigate aspects of the substrate preparation. Micropatterned substrates were created by microcontact printing of physiological proteins onto polystyrene culture dishes. The substrates displayed a high contrast between the repellant background and the cell attracting pattern, such that neurons seeded onto these surfaces aligned with the stamped structure. Both the patterning process and the cell culture were optimised, yielding highly compliant low-density networks of living neuronal cells. In the second step, cellular physiology of the cells grown on these substrates was investigated by patch-clamp measurements and compared to cells cultivated under control conditions. It could be shown that the growth on a patterned substrate did not result in an impairment of cellular integrity nor that it had an impact on synapse formation or synaptic efficacy. Due to the extremely low-density cell culture that was applied, cellular connectivity through chemical synapses could be observed at the single cell level. Having established that single cells were not negatively affected by the growth on patterned substrates, aspects of network formation were investigated. The formation of physical contact between two cells was analysed through microinjection studies and related to the rate at which functional synaptic contacts formed between two neighbouring cells. Surprisingly, the rate of synapse formation between physically contacting cells was shown to be unaltered in spite of the drastic reduction of potential interaction partners on the micropattern. Additional features of network formation were investigated and found consistent with results reported by other groups: A different rate of synapse formation by excitatory and inhibitory neurons could be reproduced as well as a different rate of frequency-dependent depression at excitatory and inhibitory synapses. Furthermore, regarding simple feedback loops, a significant enrichment of reciprocal connectivity between mixed pairs of excitatory and inhibitory neurons relative to uniform pairs could be demonstrated. This phenomenon has also been described by others in unpatterned cultures [Muller, 1997] and may therefore be a feature underlying neuronal network formation in general. Based on these findings, it can be assumed that inherent features of neuronal behaviour and cellular recognition mechanisms were found in the cultured networks and appear to be undisturbed by patterned growth. At the same time, it was possible to reduce the complexity of the forming networks dramatically in a cell culture on a patterned surface. Thus, features of network architecture and synaptic connectivity could be investigated on the single cell level under highly defined conditions.

Mechanical microcontacts of powder particles studied with the quartz crystal microbalance

Within this work, a particle-polymer surface system is studied with respect to the particle-surface interactions. The latter are governed by micromechanics and are an important aspect for a wide range of industrial applications. Here, a new methodology is developed for understanding the adhesion process and measure the relevant forces, based on the quartz crystal microbalance, QCM. rnThe potential of the QCM technique for studying particle-surface interactions and reflect the adhesion process is evaluated by carrying out experiments with a custom-made setup, consisting of the QCM with a 160 nm thick film of polystyrene (PS) spin-coated onto the quartz and of glass particles, of different diameters (5-20µm), deposited onto the polymer surface. Shifts in the QCM resonance frequency are monitored as a function of the oscillation amplitude. The induced frequency shifts of the 3rd overtone are found to decrease or increase, depending on the particle-surface coupling type and the applied oscillation (frequency and amplitude). For strong coupling the 3rd harmonic decreased, corresponding to an “added mass” on the quartz surface. However, positive frequency shifts are observed in some cases and are attributed to weak-coupling between particle and surface. Higher overtones, i.e. the 5th and 7th, were utilized in order to derive additional information about the interactions taking place. For small particles, the shift for specific overtones can increase after annealing, while for large particle diameters annealing causes a negative frequency shift. The lower overtones correspond to a generally strong-coupling regime with mainly negative frequency shifts observed, while the 7th appears to be sensitive to the contact break-down and the recorded shifts are positive.rnDuring oscillation, the motion of the particles and the induced frequency shift of the QCM are governed by a balance between inertial forces and contact forces. The adherence of the particles can be increased by annealing the PS film at 150°C, which led to the formation of a PS meniscus. For the interpretation, the Hertz, Johnson-Kendall-Roberts, Derjaguin-Müller-Toporov and the Mindlin theory of partial slip are considered. The Mindlin approach is utilized to describe partial slip. When partial slip takes place induced by an oscillating load, a part of the contact ruptures. This results in a decrease of the effective contact stiffness. Additionally, there are long-term memory effects due to the consolidation which along with the QCM vibrations induce a coupling increase. However, the latter can also break the contact, lead to detachment and even surface damage and deformation due to inertia. For strong coupling the particles appear to move with the vibrations and simply act as added effective mass leading to a decrease of the resonance frequency, in agreement with the Sauerbrey equation that is commonly used to calculate the added mass on a QCM). When the system enters the weak-coupling regime the particles are not able to follow the fast movement of the QCM surface. Hence, they effectively act as adding a “spring” with an additional coupling constant and increase the resonance frequency. The frequency shift, however, is not a unique function of the coupling constant. Furthermore, the critical oscillation amplitude is determined, above which particle detach. No movement is detected at much lower amplitudes, while for intermediate values, lateral particle displacement is observed. rnIn order to validate the QCM results and study the particle effects on the surface, atomic force microscopy, AFM, is additionally utilized, to image surfaces and measure surface forces. By studying the surface of the polymer film after excitation and particle removal, AFM imaging helped in detecting three different meniscus types for the contact area: the “full contact”, the “asymmetrical” and a third one including a “homocentric smaller meniscus”. The different meniscus forms result in varying bond intensity between particles and polymer film, which could explain the deviation between number of particles per surface area measured by imaging and the values provided by the QCM - frequency shift analysis. The asymmetric and the homocentric contact types are suggested to be responsible for the positive frequency shifts observed for all three measured overtones, i.e. for the weak-coupling regime, while the “full contact” type resulted in a negative frequency shift, by effectively contributing to the mass increase of the quartz..rnThe interplay between inertia and contact forces for the particle-surface system leads to strong- or weak-coupling, with the particle affecting in three mentioned ways the polymer surface. This is manifested in the frequency shifts of the QCM system harmonics which are used to differentiate between the two interaction types and reflect the overall state of adhesion for particles of different size.rn

Mechanical properties and structure of gel systems

Understanding the origins of the mechanical properties and its correlation withrnthe microstructure of gel systems is of great scientific and industrial interest. Inrngeneral, colloidal gels can be classified into chemical and physical gels, accordingrnto the life time of the network bonds. The characteristic di↵erences in gelationrndynamics can be observed with rheological measurements.rnAs a model system, a mixture of sodium silicate and low concentration sulfuric acidrnwas used. Nano-sized silica particles grow and aggregate to a system-spanning gelrnnetwork. The influence of the finite solubility of silica at high pH on the gelationrnwas studied with classical and piezo rheometer. The storage modulus of therngel grew logarithmically with time with two distinct growth laws. A relaxationrnat low frequency was observed in the frequency dependent measurements. I attributernthese two behaviors as a sign of structural rearrangements due to the finiternsolubility of silica at high pH. The reaction equilibrium between formation andrndissolution of bonds leads to a finite life time of the bonds and behavior similar tornphysical gel. The frequency dependence was more pronounced for lower water concentrations,rnhigher temperatures and shorter reaction times. With two relaxationrnmodels, I deduced characteristic relaxation times from the experimental data. Besidesrnrheology, the evolution of silica gels at high pH on di↵erent length scales wasrnstudied by NMR and dynamic light scattering. The results revealed that the primaryrnparticles existed already in sodium silicate and aggregated after the mixingrnof reactants due to a chemical reaction. Throughout the aggregation process thernsystem was in its chemical reaction equilibrium. Applying large oscillatory shearrnstrain to the gel allowed for modifying the gel modulus. The e↵ect of shear andrnshear history on the rheological properties of the gel were investigated. The storagernmodulus of the final gel increased with increasing strain. This behavior can be explained with (i) shear-induced aggregate compaction and (ii) combination ofrnbreakage and new formation of bonds.rnIn comparison with the physical gel-like behavior of the silica gel at high pH, typicalrnchemical gel features were exhibited by other gels formed from various chemicalrnreactions. Influences of the chemical structure modification on the gelation wererninvestigated with the piezo-rheometer. The external stimuli can be applied to tunernthe mechanical properties of the gel systems.

Polymer nanoparticles : their functionalization for biomedical applications and dynamics near an electrode

In this work, a method for the functionalization of biocompatible, poly(lactic acid)-based nanoparticles with charged moieties or fluorescent labels is presented. Therefore, a miniemulsion solvent evaporation procedure is used in which prepolymerized poly(L-lactic acid) is used together with a previously synthesized copolymer of methacrylic acid or a polymerizable dye, respectively, and an oligo(lactic acid) macromonomer. Alternatively, the copolymerization has been carried out in one step with the miniemulsion solvent evaporation. The increased stability in salty solutions of the carboxyl-modified nanoparticles compared to nanoparticles consisting of poly(lactic acid) only has been shown in light scattering experiments. The properties of the nanoparticles that were prepared with the separately synthesized copolymer were almost identical to those in which the copolymerization and particle fabrication were carried out simultaneously. During the characterization of the fluorescently labeled nanoparticles, the focus was on the stable bonding between the fluorescent dye and the rest of the polymer chain to ensure that none of it is released from the particles, even after longer storage time or during lengthy experiments. In a fluorescence correlation spectroscopy experiment, it could be shown that even after two weeks, no dye has been released into the solvent. Besides biomedical research for which the above described, functionalized nanoparticles were optimized, nanoparticles also play a role in coating technology. One possibility to fabricate coatings is the electrophoretic deposition of particles. In this process, the mobility of nanoparticles near electrode interfaces plays a crucial role. In this thesis, the nanoparticle mobility has been investigated with resonance enhanced dynamic light scattering (REDLS). A new setup has been developed in which the evanescent electromagnetic eld of a surface plasmon that propagates along the gold-sample interface has been used as incident beam for the dynamic light scattering experiment. The gold layer that is necessary for the excitation of the plasmon doubles as an electrode. Due to the penetration depth of the surface plasmon into the sample layer that is limited to ca. 200 nm, insights on the voltage- and frequency dependent mobility of the nanoparticles near the electrode could be gained. Additionally, simultaneous measurements at four different scattering angles can be carried out with this setup, therefore the investigation of samples undergoing changes is feasible. The results were discussed in context with the mechanisms of electrophoretic deposition.

Alternative reproductive tactics, sexual selection and the effects of inbreeding in the ant Hypoponera opacior

Inbreeding can lead to a fitness reduction due to the unmasking of deleterious recessive alleles and the loss of heterosis. Therefore, most sexually reproducing organisms avoid inbreeding, often by disperal. Besides the avoidance of inbreeding, dispersal lowers intraspecific competition on a local scale and leads to a spreading of genotypes into new habitats. In social insects, winged reproductives disperse and mate during nuptial flights. Therafter, queens independently found a new colony. However, some species also produce wingless sexuals as an alternative reproductive tactic. Wingless sexuals mate within or close to their colony and queens either stay in the nest or they found a new colony by budding. During this dependent colony foundation, wingless queens are accompanied by a fraction of nestmate workers. The production of wingless reproductives therefore circumvents the risks associated with dispersal and independent colony foundation. However, the absence of dispersal can lead to inbreeding and local competition.rnIn my PhD-project, I investigated the mating biology of Hypoponera opacior, an ant that produces winged and wingless reproductives in a population in Arizona. Besides the investigation of the annual reproductive cycle, I particularly focused on the consequences of wingless reproduction. An analysis of sex ratios in wingless sexuals should reveal the relative importance of local resource competition among queens (that mainly compete for the help of workers) and local mate competition among males. Further, sexual selection was expected to act on wingless males that were previously found to mate with and mate-guard pupal queens in response to local mate competition. We studied whether males are able to adapt their mating behaviour to the current competitive situation in the nest and which traits are under selection in this mating situation. Last, we investigated the extent and effects of inbreeding. As the species appeared to produce non-dispersive males and queens quite frequently, we assumed to find no or only weak negative effects of inbreeding and potentially mechanisms that moderate inbreeding levels despite frequent nest-matings.rnWe found that winged and wingless males and queens are produced during two separate seasons of the year. Winged sexuals emerge in early summer and conduct nuptial flights in July, when climate conditions due to frequent rainfalls lower the risks of dispersal and independent colony foundation. In fall, wingless sexuals are produced that reproduce within the colonies leading to an expansion on the local scale. The absence of dispersal during this second reproductive season resulted in a local genetic population viscosity and high levels of inbreeding within the colonies. Male-biased sex ratios in fall indicated a greater importance of local resource competition among queens than local mate competition among males. Males were observed to adjust mate-guarding durations to the competitive situation (i.e. the number of competing males and pupae) in the nest, an adaptation that helps maximising their reproductive success. Further, sexual selection was found to act on the timing of emergence as well as on body size in these males, i.e. earlier emerging and larger males show a higher mating success. Genetic analyses revealed that wingless males do not actively avoid inbreeding by choosing less related queens as mating partners. Further, we detected diploid males, a male type that is produced instead of diploid females if close relatives mate. In contrast to many other Hymenopteran species, diploid males were here viable and able to sire sterile triploid offspring. They did not differ in lifespan, body size and mating success from “normal” haploid males. Hence, diploid male production in H. opacior is less costly than in other social Hymenopteran species. No evidence of inbreeding depression was found on the colony level but more inbred colonies invested more resources into the production of sexuals. This effect was more pronounced in the dispersive summer generation. The increased investment in outbreeding sexuals can be regarded as an active strategy to moderate the extent and effects of inbreeding. rnIn summary, my thesis describes an ant species that has evolved alternative reproductive tactics as an adaptation to seasonal environmental variations. Hereby, the species is able to maintain its adaptive mating system without suffering from negative effects due to the absence of dispersal flights in fall.rn

Sprühgetrocknete Polylaktid, Poly(laktid-co-glykolid) Mikropartikel zur Steuerung der Freisetzung aus pulmonalen Arzneiformen

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, pharmazeutisch-technologische Möglichkeiten der Retardierung bei ausgewählten Antiasthmatika zur pulmonalen Applikation anzuwenden. Dafür sollten Mikropartikel hergestellt und pharmazeutisch sowie biopharmazeutisch charakterisiert werden. Als Modellsubstanzen werden das Glukokortikoid Budesonid und das β2-Sympathomimetikum Salbutamol in Form seiner Base und seines Salzes verwendet. Die Auswahl erfolgt nach physikochemischen (Lipophilie, Molekulargewicht) und therapeutischen (Halbwertszeit der Wirkung, Applikationsfrequenz) Gesichtspunkten. Mikropartikel auf Polymerbasis ermöglichen eine kontrollierte Freigabe der Arzneistoffe über einen vorausbestimmten Zeitraum. Es erfolgt die Auswahl physiologisch unbedenklicher Hilfsstoffe (Polylaktide R 202H/ Poly(laktid-co-glykolide) RG 502H, RG 752-S) mit unterschiedlichen Anteilen an Coglykolid sowie unterschiedlichen Molekulargewichten, die sich prinzipiell zur Verzögerung der Freisetzung eignen und sich bei der parenteralen Applikation bereits bewährt haben. Die Sprühtrocknung wird als geeignetes pharmazeutisch-technologisches Verfahren zur Präparation von Mikropartikeln im Teilchengrößenbereich von 1- 10 Mikrometern beschrieben, welche den Wirkstoff mit möglichst hoher Beladung verkapselt. Die sprühgetrockneten Pulver sollen pharmazeutisch physikochemisch mittels Rasterelektronenmikroskopie (Morphologie), Laserdiffraktometrie (Teilchengrößenverteilung), DSC und Röntgenpulverdiffraktometrie (thermisches Verhalten) und mittels Stickstoff-Tief-Temperatur Adsorptionsverfahren (spezifische Oberfläche) charakterisiert werden. Zusätzlich wird die Wirkstoffbeladung der sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikel mittels HPLC ermittelt. Die biopharmazeutische Charakterisierung der sprühgetrockneten Pulver erfolgt über die in-vitro Freigabekinetik und die Stabilität der Mikropartikel. Zusätzlich werden Versuche an Zellkulturen und in-vivo Versuche an Mäusen durchgeführt, um die Effekte der sprühgetrockneten Mikropartikel und des Hilfsstoffs hinsichtlich der Freisetzungsretardierung zu testen. Bei den in-vivo Versuchen werden der Atemwegswiderstand und die Verlängerung der exspiratorischen Phase (penh) als Parameter für einen antiasthmatischen Effekt gewählt. Die Lungenlavage Flüssigkeit wird zusätzlich überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung möglich ist, Polymer-Mikropartikel herzustellen, die aufgrund ihrer Partikelgröße von d50 ≤ 5,8 µm fähig sind, die unteren Abschnitte der Lunge zu erreichen. Die Morphologie der Mikropartikel ist abhängig vom zu versprühenden Produkt. Thermodynamisch und röntgenpulverdiffraktometrisch betrachtet handelt es sich um amorphe Produkte, die aber über lange Zeit in diesem Zustand stabil sind. Die Wiederfindung der eingesetzten Arzneistoffmenge in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln und die Freigabeversuche zur Charakterisierung der Retardierungseigenschaften der verwendeten Polymere ergeben, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung von Budesonid und Salbutamol mit den Polymeren möglich ist, retardierende Mikropartikel herzustellen. Die Wiederfindung von Budesonid und Salbutamol in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln entspricht nahezu der eingesetzten Menge. Bei Salbutamolsulfat ist dies nicht der Fall. In Zellkulturversuchen der murinen Zellinie RAW 264.7 ergaben sich Hinweise darauf, dass bei Konzentrationen von 10-6 M und 10-8 M, die Downregulation der IL-6 Konzentration durch die Sprüheinbettung von 9,1 % Budesonid mit PLGA in stärkerem Ausmaß erfolgte, als bei unverkapseltem Budesonid. Zusätzlich wurden in-vivo Versuche mit intranasaler und intraperitonealer Gabe durchgeführt. Die Budesonid-Polymer Sprüheinbettung wurde mit unverkapseltem Budesonid vergleichen. Nach intraperitonealer Gabe hatte die Sprüheinbettung mit Budesonid die besten Effekte hinsichtlich der Unterdrückung des penh und des Atemwegswiderstands auch bei steigenden Metacholinkonzentrationen. Die Auswertung der Lungenlavage Flüssigkeit zeigt sehr deutlich die Downregulation der IL-6 Konzentration in der Lunge durch die Sprüheinbettung mit Budesonid. Zur Zeit werden Vorbereitungen getroffen, ein Gerät zu testen, das in der Lage ist, ein Mikrospray zu generieren, so dass eine intratracheale Verabreichung möglich wäre.

Measurement of the oscillation frequency of B s mesons in the hadronic decay mode B s pi D s (phi pi) X with the D0 detector at the Fermilab Tevatron collider

The standard model (SM) of particle physics is a theory, describing three out of four fundamental forces. In this model the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix describes the transformation between the mass and weak eigenstates of quarks. The matrix properties can be visualized as triangles in the complex plane. A precise measurement of all triangle parameters can be used to verify the validity of the SM. The least precisely measured parameter of the triangle is related to the CKM element |Vtd|, accessible through the mixing frequency (oscillation) of neutral B mesons, where mixing is the transition of a neutral meson into its anti-particle and vice versa. It is possible to calculate the CKM element |Vtd| and a related element |Vts| by measuring the mass differences Dmd (Dms ) between neutral Bd and bar{Bd} (Bs and bar{Bs}) meson mass eigenstates. This measurement is accomplished by tagging the initial and final state of decaying B mesons and determining their lifetime. Currently the Fermilab Tevatron Collider (providing pbar{p} collisions at sqrt{s}=1.96 TeV) is the only place, where Bs oscillations can be studied. The first selection of the "golden", fully hadronic decay mode Bs->Ds pi(phi pi)X at DØ is presented in this thesis. All data, taken between April 2002 and August 2007 with the DØ detector, corresponding to an integrated luminosity of int{L}dt=2.8/fb is used. The oscillation frequency Dms and the ratio |Vtd|/|Vts| are determined as Dms = (16.6 +0.5-0.4(stat) +0.4-0.3(sys)) 1/ps, |Vtd|/|Vts| = 0.213 +0.004-0.003(exp)pm 0.008(theor). These results are consistent with the standard model expectations and no evidence for new physics is observable.

Periodicities in the Hodgkin-Huxley model and versions of this model with stochastic input

A field of computational neuroscience develops mathematical models to describe neuronal systems. The aim is to better understand the nervous system. Historically, the integrate-and-fire model, developed by Lapique in 1907, was the first model describing a neuron. In 1952 Hodgkin and Huxley [8] described the so called Hodgkin-Huxley model in the article “A Quantitative Description of Membrane Current and Its Application to Conduction and Excitation in Nerve”. The Hodgkin-Huxley model is one of the most successful and widely-used biological neuron models. Based on experimental data from the squid giant axon, Hodgkin and Huxley developed their mathematical model as a four-dimensional system of first-order ordinary differential equations. One of these equations characterizes the membrane potential as a process in time, whereas the other three equations depict the opening and closing state of sodium and potassium ion channels. The membrane potential is proportional to the sum of ionic current flowing across the membrane and an externally applied current. For various types of external input the membrane potential behaves differently. This thesis considers the following three types of input: (i) Rinzel and Miller [15] calculated an interval of amplitudes for a constant applied current, where the membrane potential is repetitively spiking; (ii) Aihara, Matsumoto and Ikegaya [1] said that dependent on the amplitude and the frequency of a periodic applied current the membrane potential responds periodically; (iii) Izhikevich [12] stated that brief pulses of positive and negative current with different amplitudes and frequencies can lead to a periodic response of the membrane potential. In chapter 1 the Hodgkin-Huxley model is introduced according to Izhikevich [12]. Besides the definition of the model, several biological and physiological notes are made, and further concepts are described by examples. Moreover, the numerical methods to solve the equations of the Hodgkin-Huxley model are presented which were used for the computer simulations in chapter 2 and chapter 3. In chapter 2 the statements for the three different inputs (i), (ii) and (iii) will be verified, and periodic behavior for the inputs (ii) and (iii) will be investigated. In chapter 3 the inputs are embedded in an Ornstein-Uhlenbeck process to see the influence of noise on the results of chapter 2.

Influence of defects and disorder on anomalous Hall effect and spin Seebeck effect on permalloy and Heusler compounds

In dieser Arbeit wurden dünne Schichten von Heusler-Verbindungen hergestellt und auf ihre Transporteigenschaften hin untersucht.rnDer Anomale Hall-Effekt (AHE) ist dabei von besonderem Interesse. Er ist ein seit langer Zeit bekannter, jedoch noch nicht vollständig verstandener Transport-Effekt. Die meisten Veröffentlichungen theoretischer Arbeiten konzentrieren sich auf den Einfluss eines bestimmten Beitrags zum AHE. Tatsächlich gemessene experimentelle Daten können jedoch oft nicht in Einklang mit idealisierten Annahmen gebracht werden. rnDie vorliegende Arbeit diskutiert die Ergebnisse, welche aus Messungen von Materialien mit niedrigem Restwiderstand erhalten wurden. rnrnAls prototypische Materialien wurden hier hyphenation Heusler-Verbindungen untersucht. Als Material mit einer komplexen Topologie der Fermi-Fläche zeichnet sich dort der Einfluss von Defekten und der Unordnung der Kristallstruktur deutlich ab.rnrnDurch Verwendung von Filmen mit unterschiedlichem Grad der Unordnung können verschiedene Streumechanismen unterschieden werden. Für Co$_{2}$FeSi$_{0.6}$Al$_{0.4}$ and Co$_{2}$FeGa$_{0.5}$Ge$_{0.5}$ zeigt sich ein positiver AHE bei einer Unordnung vom Typ B2 und bei einer induzierten temperaturabh"angigen Streuung, wo hingegen eine Typ DO$_{3}$-Unordnung zusammen mit anderen möglichen intrinsischen Beiträgen einen negativen Effekt hervorruft.rnrnDarüber hinaus wurden die magneto-optische Kerr-Effekte (MOKE) dieser Verbindungen untersucht. Hierfür wurden Beiträge erster Ordnung als Funktion der intrinsischen und extrinsischen Parameter qualitativ analysiert. Auf den Einfluss der kristallinen Ordnung auf Beiträge zweiter Ordnung des MOKE-Signals wird ebenfalls eingegangen.rnrnDes Weiteren wurden dünne Schichten der Heusler-Verbindung Co$_{2}$MnAl auf MgO- und Si-Subs-traten (beide (100)) mit Hochfrequenz-Mag-netron-Sputtern erzeugt. Die zusammensetzung sowie die magnetischen und Transport-Eigenschaften wurden hinsichtlich unterschiedlicher Abscheidebedingungen systematisch untersucht.rnrnInsbesondere zeigt der AHE-Widerstand ein außerordentliches temperaturunabhängiges Verhalten in einem Bereich moderater Magnetfeldstärken von 0 bis 0.6,T. Hierf"ur wurde der nicht-diagonale Transport bei Temperaturen bis zu 300,$^{circ}$C analysiert. Die Daten zeigen die Eignung des Materials für Hall-Sensoren auch oberhalb der Raumtemperatur.rnrnJüngst wurde der Spin Seebeck-Effekt (SSE) entdeckt. Der Effekt aus dem Bereich der Spin-Kaloritronik erzeugt eine Spin-Spannung'' aufgrund eines Temperaturgradienten in magnetischen Materialien. Hier werden vorläufige Messungen des SSE in Ni$_{80}$Fe$_{20}$ und in Heusler-Verbindungen präsentiert.rn

Mechanismen der Resistenz und Sensitivierung von menschlichen malignen Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika

Das metastasierende maligne Melanom ist durch eine geringe p53-Mutations-Rate und eine hohe Resistenz gegenüber Chemotherapie mit alkylierenden Agenzien wie Fotemustin (FM) und Temozolomid (TMZ) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von p53 in der Resistenz von malignen Melanomzellen gegenüber FM untersucht und Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber TMZ und FM aufgezeigt.rnAusgangspunkt war die Beobachtung, dass p53 Wildtyp (p53wt) Melanomzellen resistenter gegenüber FM sind als p53 mutierte (p53mt) Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine FM-Behandlung in p53wt Zellen eine Stabilisierung von p53 und eine Induktion des p53-Zielproteins p21 bewirkte. Mithilfe einer p53wt Zelllinie, welche einen p53 Knockdown trägt, konnte gezeigt werden, dass p53 für die geringe Apoptose-Rate nach FM-Behandlung verantwortlich ist. Eine Untersuchung der Interstrang-Crosslink (ICL)-Reparaturkapazität zeigte, dass p53mt Zellen im Gegensatz zu p53wt Zellen nicht in der Lage sind, FM-induzierte ICL zu reparieren. Dies ging mit einer im Vergleich zu p53wt Zellen starken DNA-Schadensantwort einher. Die Gene für die Proteine DDB2 und XPC wurden als durch FM regulierte DNA-Reparatur-Gene identifiziert, deren Induktion p53-abhängig und lang anhaltend (bis zu 144 h) erfolgt. Da XPC Knockdown-Zellen sensitiver als ihre Kontrollzellen gegenüber FM reagierten, konnte die biologische Relevanz von XPC bei der ICL-Reparatur bestätigt werden. Anhand von Xenograft-Tumoren wurde gezeigt, dass FM auch in situ eine Induktion von DDB2 und XPC auslöst. Die Beobachtung, dass DNA-Reparatur-Gene nach FM-Behandlung hochreguliert werden, liefert eine Erklärung für das schlechte Ansprechen von Melanomen auf eine Therapie mit ICL-induzierenden Chemotherapeutika.rnDes Weiteren befasste sich die vorliegende Arbeit mit Möglichkeiten zur Sensitivierung von Melanomzellen gegenüber den Chemotherapeutika TMZ und FM. In diesem Zusammenhang wurde Valproinsäure (VPA), ein in der Epilepsie-Therapie verwendetes Medikament und Histondesacetylase (HDAC)-Hemmer, bezüglich der chemosensitivierenden Wirkung untersucht. Zunächst konnte der in der Literatur häufig beschriebene stabilisierende Effekt von VPA auf „wildtypisches“ p53-Protein und destabilisierende Effekt auf mutiertes p53-Protein bestätigt werden. Zwei der vier untersuchten Zelllinien konnten mithilfe von VPA gegenüber TMZ sensitiviert werden, während nur eine der vier untersuchten Zelllinien gegenüber FM sensitiviert werden konnte. VPA begünstigt die Induktion von Apoptose, während der Effekt auf die Induktion von Nekrose nur gering ausfiel. Eine Wirkung von VPA auf die Aktivität des Resistenz-vermittelnden Enzyms O6-Methylguanin-DNA-Methyltransferase (MGMT) wurde nicht beobachtet. Zudem wurde ausgeschlossen, dass die Sensitivierung gegenüber TMZ und FM, welche S-Phase abhängige Gentoxine sind, auf einer VPA-induzierten Erhöhung der Proliferation beruht. Mithilfe einer Zelllinie, welche stabil dominant-negatives FADD (Fas-associated death domain) exprimiert, konnten keine Hinweise auf eine Beteiligung des extrinsischen Apoptose-Signalwegs an der VPA-vermittelten Sensitivierung gewonnen werden. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass VPA keine Induktion der niedrig exprimierten Procaspase-8 verursachte. Mithilfe eines PCR-Arrays wurden transaktivierende und –reprimierende Effekte von VPA auf die Genexpression gezeigt, wobei das proapoptotische Protein BAX (Breakpoint cluster-2-associated x protein) als ein in der Sensitivierung involviertes Kandidatengen identifiziert wurde. Obwohl eine vollständige Aufklärung der dem Sensitivierungseffekt von VPA zu Grunde liegenden Mechanismen nicht erbracht werden konnte, zeigen die in dieser Arbeit erlangten Beobachtungen einen vielversprechenden Weg zur Überwindung der Resistenz von Melanomzellen gegenüber DNA-alkylierenden Zytostatika auf.rn

Zur Rolle der Antigendosis in IgE-vermittelten Immunantworten und der allergischen Atemwegsentzündung

Die Verabreichung von hohen Antigendosen im Rahmen der allergenspezifischen Immuntherapie (SIT) resultiert in der Induktion einer allergenspezifischen Toleranz in sensibilisierten Patienten. Vorangegangene Studien der Klinischen Forschergruppe Allergie identifizierten CD4-CD8- doppelt-negative T-Zellen (dnTZ), welche nach wiederholter intraperitonealer Injektion von hohen Dosen (HD) des an das Adjuvans Aluminiumhydroxid adsorbierten Antigens Keyhole Limpet Hemocyanin in Mäusen induziert wurden, als potente Suppressorzellen für die IgE-Produktion. Mäuse, die hingegen mit niedrigen Dosen (LD) desselben Antigens behandelt wurden, entwickelten eine starke, persistierende IgE-Immunantwort. rnIm Fokus meiner Doktorarbeit stand die phänotypische Charakterisierung der dnTZ aus HD-Mäusen sowie die Aufklärung möglicher inhibitorischer Wirkmechanismen. In Erweiterung der bisherigen Arbeiten und in Anlehnung an die klinische Praxis bei der Durchführung der SIT habe ich bei meinen Untersuchungen die subkutane Injektion ohne Adjuvans als alternative Applikationsroute verwendet. In meinen Studien konnte ich durch die zusätzliche Verwendung des klinisch relevanten Allergens Ovalbumin die Allgemeingültigkeit des Konzepts der antigendosisabhängigen Regulation der IgE- Produktion durch dnTZ verifizieren. Die Vakzinierung mit hohen Antigendosen verhinderte die Ausbildung einer IgE-Produktion in antigenspezifischer Weise. HD- Mäuse wiesen in vitro eine geringere Aktivierung von TH2-Zellen als LD-Mäuse auf. Im Mausmodell der allergischen Atemwegsentzündung wiesen HD-Mäuse eine reduzierte Atemwegsreaktivität sowie eine geringere pulmonale TH2-Zytokin- produktion auf. rnIch konnte zudem tendenziell eine leicht erhöhte Anzahl von dnTZ in HD-Mäusen messen. Die in HD-Mäusen induzierten dnTZ habe ich durchflusszytometrisch charakterisiert, konnte jedoch keinen eindeutigen Marker für suppressive dnTZ identifizieren. In einem adoptiven Transferexperiment war eine T-Zellpopulation von HD-Mäusen aus der γδ-T-Zell-Rezeptor-tragende T-Zellen depletiert worden waren, ähnlich wie die Ausgangs-T-Zellpopulation in der Lage die IgE-Produktion in den Rezipienten zu inhibieren, was darauf schließen lässt, dass die untersuchten regulatorischen dnTZ einen αβ-T-Zell-Rezeptor exprimieren. rn

Molekulare Mechanismen der Knochenmetastasierung des Nierenzellkarzinoms

Die schlechte Prognose des Nierenzellkarzinoms (NZK) kommt nicht durch den Primärtumor an sich zustande, sondern durch das Vorhandensein von Fernmetastasen. Obwohl bereits vieles über die Mechanismen der Metastasierung bekannt ist, sind die Hintergründe der Organspezifität metastasierender Tumorzellen weitgehend ungeklärt. In 30% der Fälle kommt es zur Entstehung von Knochenmetastasen. Diese hohe Frequenz deutet darauf hin, dass NZK-Zellen bevorzugt in dieses Organ metastasieren, da die Knochenmatrix ein günstiges Mikromilieu für ihr Wachstum bietet. Hierbei könnte extrazellulärem Calcium und dem für die Detektion zuständigen Calcium-sensitiven Rezeptor (CaSR) eine entscheidende Rolle zukommen, da sich Knochen durch ihren hohen Gehalt an Calcium auszeichnen und von anderen Organen unterscheiden. Das Ziel der vorliegenden Dissertation lag in der Aufklärung der Mechanismen, die zu einer Knochenmetastasierung des NZK führen.rnrnIn ersten Analysen konnte gezeigt werden, dass sich bereits der Primärtumor durch eine von Calcium unabhängige charakteristische Expression bestimmter Signalmediatoren auszeichnet, die Metastasierungspotenzial und –ort bestimmen. So wurden in Gewebeproben und primären Tumorzellen von NZK-Patienten, die innerhalb von fünf Jahren nach Nephrektomie Knochenmetastasen entwickelten, in Westernblot-Analysen eine sehr hohe Expression der α5-Integrine, eine starke Aktivität von Akt, FAK und eine Reduktion der PTEN-Expression detektiert. Diese Veränderungen begünstigten die chemotaktische Migration in Richtung Fibronektin (bestimmt in einer Boyden-Kammer) und die Adhäsion dieser NZK-Zellen an Komponenten der Extrazellularmatrix (Fibronektin und Kollagen I – beides ist Bestandteil der Knochenmatrix). Migration und Adhäsion sind essentielle Schritte beim Austreten der Tumorzellen aus dem Primärtumor und Infiltration des Knochens. In NZK-Zellen von Patienten, die keine Metastasen oder Lungenmetastasen entwickelten, waren diese Charakteristika nicht oder deutlich schwächer ausgeprägt. Bestimmte Primärtumore sind somit prädestiniert Knochenmetastasen auszubilden.rnrnUm die Bedeutung von extrazellulärem Calcium und dem CaSR darzustellen, wurde die Expression des CaSR mittels Real-Time PCR, Westernblot-Analysen und durchflusszytometrisch in NZK-Gewebeproben und –Zellen von Patienten untersucht, die innerhalb von fünf Jahren nach Nephrektomie keine bzw. Lungen- oder Knochenmetastasen ausbildeten. Proben von Patienten mit Knochenmetastasen zeigten die stärkste Expression von CaSR-mRNA und CaSR-Protein. Durch eine Behandlung der NZK-Zellen mit Calcium in physiologischen Konzentrationen, konnte Calcium als möglicher Regulator der CaSR-Expression ausgeschlossen werden. Der Einfluss von Calcium auf die Metastasierungsfähigkeit der primären NZK-Zellen wurde anhand eines weiteren chemotaktischen Migrationsversuchs mit Calcium als Chemotaxin analysiert. Die Zellproliferationsrate konnte nach Behandlung der Zellen mit Calcium mittels BrdU-Inkorporation gemessen werden. NZK-Zellen, die aus dem Primärtumor von Patienten mit Knochenmetastasen kultiviert wurden, konnten durch eine erhöhte extrazelluläre Calcium-Konzentration verstärkt zu Migration und Proliferation (Konzentrations-abhängige Steigerung) angeregt werden. Diese stellen weitere essentielle Schritte bei der Infiltration und Vermehrung der NZK-Zellen in den Knochen dar. Die Effekte traten bei NZK-Zellen aus Patienten, die keine oder Lungenmetastasen ausbildeten, nicht auf. Die Identifizierung der beteiligten Signalwege erfolgte in Westernblot-Analysen und einem Phospho-Kinase Array. Hierdurch konnten eine verstärkte Aktivierung des Akt-, JNK-, p38α- und PLCγ-1-Signalwegs und eine beinahe vollständige Reduktion der PTEN-Expression nach Calcium-Behandlung in Knochen-metastasierenden NZK-Zellen aufgedeckt werden. Durch Blockierung des CaSR mittels des Inhibitors NPS 2143 konnte bestätigt werden, dass die metastasierungs-fördernde Wirkung von Calcium über den CaSR zustande kommt. rnrnNZK-Zellen zeichnen sich somit bereits im Primärtumor durch eine charakteristische Expression verschiedener Signalmediatoren aus, die ihr Metastasierungspotenzial und die mögliche Lokalisation der Metastase bestimmen. Gelangen metastasierende NZK-Zellen auf ihrem Weg durch den Blutkreislauf in das Knochenmilieu, verhilft ihnen hier eine hohe Expression des CaSR zu einem wichtigen Überlebensvorteil. Extrazelluläres Calcium wirkt über den CaSR, verstärkt ihre metastatischen Eigenschaften und fördert schließlich die Ausbildung einer Knochenmetastase. Aus diesem Grund kommt dem CaSR eine Rolle als möglicher prognostischer Marker hinsichtlich der Knochenmetastasierung beim NZK zu. Die Charakteristika des Primärtumors sollten daher die Auswahl des adjuvanten Therapeutikums und die Nachsorgeuntersuchungen beeinflussen. um die Medizin dem Ziel einer individualisierten Therapie näher zu bringen.rn

Search for a spin-dependent short-range force between nucleons with a 3 He, 129 Xe clock-comparison experiment

Light pseudoscalar bosons, such as the axion that was originally proposed as a solution of the strong CP problem, would cause a new spin-dependent short-range interaction. In this thesis, an experiment is presented to search for axion mediated short-range interaction between a nucleon and the spin of a polarized bound neutron. This interaction cause a shift in the precession frequency of nuclear spin-polarized gases in the presence of an unpolarized mass. To get rid of magnetic field drifts co-located, nuclear spin polarized 3He and 129Xe atoms were used. The free nuclear spin precession frequencies were measured in a homogeneous magnetic guiding field of about 350nT using LTc SQUID detectors. The whole setup was housed in a magnetically shielded room at the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlin. With this setup long nuclear spin-coherence times, respectively, transverse relaxation times of 5h for 129Xe and 53h for 3He could be achieved. The results of the last run in September 2010 are presented which give new upper limits on the scalar-pseudoscalar coupling of axion-like particles in the axion-mass window from 10^(-2) eV to 10^(-6) eV. The laboratory upper bounds were improved by up to 4 orders of magnitude.

Erkennung der alpha-Kette des GM-CSF-Rezeptors (CSF2RA) durch einen HLA-unabhängigen alpha:beta-T-Zellrezeptor

Aus dem tumorreaktiven T-Zellrepertoire der Melanompatientin Ma-Mel-86/INTH, bei der im Verlauf Lymphknotenmetastasen HLA-Klasse I-negativer Tumorzellen auftraten, wurden durch Stimulation mit autologen Tumorzellen CD8+ T-Zellklone isoliert und expandiert, die auf Melanomzellen der Patientin CSF2RA (engl. GM-CSF receptor alpha chain) in HLA-unabhängiger Weise erkannten. Aus einem der T-Zellklone wurde ein CSF2RA-reaktiver α:β-T-Zellrezeptor (TCR, engl. T-cell receptor) kloniert (Bezeichnung: TCR-1A.3/46). Die α-Kette des TCR enthielt die Domänen TRAV14/DV4*01, TRAJ48*01 und TRAC*01, die β-Kette die Domänen TRBV10-3*01, TRBD2*01, TRBJ2-7*01 und TRBC2*01. Durch Austausch der humanen konstanten gegen die homologen murinen Domänen wurde der TCR optimiert (Bezeichnung: cTCR-1A.3/46) und hinsichtlich seiner Expression und Funktionalität nach retroviralem Transfer in humane PBMC (engl. peripheral blood mononuclear cells) im 51Chromfreisetzungstest, im IFN-γ-ELISpot-Assay und in einem Degranulations-Assay validiert. TCR-transgene T-Zellen lysierten nicht nur spezifisch die HLA-defizienten, CSF2RA+ Melanomlinien des Modells Ma-Mel-86, sondern erkannten auch Zelllinien verschiedener Spezies nach Transfektion von CSF2RA sowie Monozyten, Granulozyten, dendritische Zellen und ein breites Spektrum hämatologischer Malignome myeloiden Ursprungs ungeachtet deren HLA-Phänotypen. Lymphatische Zellen sowie CD34+ Blutstammzellen wurden in In vitro-Untersuchungen nicht erkannt. Der Zusatz von GM-CSF zu Zellen, die CSF2RA und CSF2RB exprimierten, inhibierte die Erkennung durch TCR-transgene PBMC, während die Koexpression der α- und der ß-Kette des GM-CSF-Rezeptors alleine keinen negativen Effekt auf die Erkennung hatte. Daraus war zu schließen, dass CSF2RA präferentiell freistehend und weniger nach Integration in den heteromultimerischen GM-CSF-Rezeptor-Komplex erkannt wurde. In der zweidimensionalen Collier-de-Perles-Visualisierung der IMGT-Datenbank (engl. International immunogenetics information system) wies der CSF2RA-reaktive TCR-1A.3/46 im Vergleich zu TCR von konventionellen, HLA-restringierten T-Zellen keine Besonderheiten auf. Darüber hinaus waren auch die von den HLA-unabhängigen T-Zellen exprimierten CD8-Moleküle identisch zu den CD8-Molekülen HLA-abhängiger CTL (engl. cytotoxic T lymphocytes). Die Präsenz von CD8-Molekülen förderte die HLA-unabhängige Erkennung von CSF2RA, schien aber dafür nicht zwingend erforderlich zu sein, da Antikörper gegen CD8 die Erkennung zu ca. 65 % blockierten und TCR-transgene CD4+ T-Zellen im Vergleich zu TCR-transduzierten CD8+ T-Zellen eine deutlich verringerte, aber noch erhaltene Funktionalität aufwiesen. Es ist derzeit nicht klar, ob HLA-unabhängige T-Zellen gegen CSF2RA im peripheren Blut der Patientin vorkamen, weil sie der im Tiermodell postulierten Thymusselektion MHC-unabhängiger TCR (Tikhonova et al., Immunity 36:79, 2012) entkommen waren, oder weil ein ursprünglich gegen einen HLA-Peptid-Komplex gerichteter TCR eine HLA-unabhängige Kreuzreaktivität aufwies. CSF2RA verbessert die Glucoseutilisation in malignen Zellen, und es wurden ihm embryotrophe Eigenschaften zugeschrieben (Spielholz et al., Blood 85:973, 1995; Sjöblom et al., Biol. Reprod. 67:1817, 2002). Damit kann CSF2RA malignes Wachstum fördern und ist somit ein potentielles Zielmolekül für die Immuntherapie. Seine HLA-unabhängige Erkennung würde sowohl die HLA-Vielfalt als auch den HLA-Verlust als typische Limitationen der T-Zellimmuntherapie umgehen. Zur Überprüfung der In vivo-Spezifität des HLA-unabhängigen TCR gegen CSF2RA und damit zum Ausschluss relevanter off-tumor-/on-target- bzw. off-tumor-/off-target-Effekte ist jedoch eine Testung in einem präklinischen Tiermodell erforderlich.