Scaling invariance for the escape of particles from a periodically corrugated waveguide

The escape dynamics of a classical light ray inside a corrugated waveguide is characterised by the use of scaling arguments. The model is described via a two-dimensional nonlinear and area preserving mapping. The phase space of the mapping contains a set of periodic islands surrounded by a large chaotic sea that is confined by a set of invariant tori. When a hole is introduced in the chaotic sea, letting the ray escape, the histogram of frequency of the number of escaping particles exhibits rapid growth, reaching a maximum value at n(p) and later decaying asymptotically to zero. The behaviour of the histogram of escape frequency is characterised using scaling arguments. The scaling formalism is widely applicable to critical phenomena and useful in characterisation of phase transitions, including transitions from limited to unlimited energy growth in two-dimensional time varying billiard problems. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Free Rhodium (II) citrate and rhodium (II) citrate magnetic carriers as potential strategies for breast cancer therapy

Abstract Background Rhodium (II) citrate (Rh2(H2cit)4) has significant antitumor, cytotoxic, and cytostatic activity on Ehrlich ascite tumor. Although toxic to normal cells, its lower toxicity when compared to carboxylate analogues of rhodium (II) indicates Rh2(H2cit)4 as a promising agent for chemotherapy. Nevertheless, few studies have been performed to explore this potential. Superparamagnetic particles of iron oxide (SPIOs) represent an attractive platform as carriers in drug delivery systems (DDS) because they can present greater specificity to tumor cells than normal cells. Thus, the association between Rh2(H2cit)4 and SPIOs can represent a strategy to enhance the former's therapeutic action. In this work, we report the cytotoxicity of free rhodium (II) citrate (Rh2(H2cit)4) and rhodium (II) citrate-loaded maghemite nanoparticles or magnetoliposomes, used as drug delivery systems, on both normal and carcinoma breast cell cultures. Results Treatment with free Rh2(H2cit)4 induced cytotoxicity that was dependent on dose, time, and cell line. The IC50 values showed that this effect was more intense on breast normal cells (MCF-10A) than on breast carcinoma cells (MCF-7 and 4T1). However, the treatment with 50 μM Rh2(H2cit)4-loaded maghemite nanoparticles (Magh-Rh2(H2cit)4) and Rh2(H2cit)4-loaded magnetoliposomes (Lip-Magh-Rh2(H2cit)4) induced a higher cytotoxicity on MCF-7 and 4T1 than on MCF-10A (p < 0.05). These treatments enhanced cytotoxicity up to 4.6 times. These cytotoxic effects, induced by free Rh2(H2cit)4, were evidenced by morphological alterations such as nuclear fragmentation, membrane blebbing and phosphatidylserine exposure, reduction of actin filaments, mitochondrial condensation and an increase in number of vacuoles, suggesting that Rh2(H2cit)4 induces cell death by apoptosis. Conclusions The treatment with rhodium (II) citrate-loaded maghemite nanoparticles and magnetoliposomes induced more specific cytotoxicity on breast carcinoma cells than on breast normal cells, which is the opposite of the results observed with free Rh2(H2cit)4 treatment. Thus, magnetic nanoparticles represent an attractive platform as carriers in Rh2(H2cit)4 delivery systems, since they can act preferentially in tumor cells. Therefore, these nanopaticulate systems may be explored as a potential tool for chemotherapy drug development.

Exploring anorganic bovine bone granules as osteoblast carriers for bone bioengineering: a study in rat critical-size calvarial defects

It is known that current trends on bone bioengineering seek ideal scaffolds and explore innovative methods to restore tissue function. In this way, the objective of this study was to evaluate the behavior of anorganic bovine bone as osteoblast carrier in critical-size calvarial defects. MC3T3-E1 osteoblast cells (1x10(5) cells/well) were cultured on granules of anorganic bovine bone in 24-well plates and after 24 h these granules were implanted into rat critical-size calvarial defects (group Biomaterial + Cells). In addition, other groups were established with different fillings of the defect: Blood Clot (negative control); Autogenous Bone (positive control); Biomaterial (only granules) and Cells (only MC3T3-E1 cells). After 30 days, the animals were euthanized and the calvaria were technically processed in order to allow histological and morphometric analysis. It was possible to detect blood vessels, connective tissue and newly formed bone in all groups. Particularly in the Biomaterial + Cells group, it was possible to observe a profile of biological events between the positive control group (autogenous bone) and the group in which only anorganic bovine granules were implanted. Altogether, the results of the present study showed that granules of anorganic bovine bone can be used as carrier to osteoblasts and that adding growth factors at the moment of implantation should maximize these results.

Dynamics of photoexcited carriers in the presence of disorder in radial heterostructured GaAs/AlGaAs/GaAs nanowires

Time-resolved photoluminescence was employed to study electron-hole dynamics in radial heterostructured GaAs/AlGaAs/GaAs core/inner shell/outer shell nanowires. It was found that impurity random potential results in a red shift of the recombination time maximum with respect to the photoluminescence peak energy.

Immune escape durch Überexpression von HER-2/neu

In Tumoren und Onkogen-transformierten Zellen finden sich häufig Defizienzen in der Expression von Komponenten der MHC Klasse I-Antigenprozessierung, die mit einer verminderten MHC Klasse I-Oberflächenexpression und einer reduzierten Sensitivität der Zellen gegenüber einer ZTL-vermittelten Lyse gekoppelt sein können. Da in den meisten Fällen die reduzierten Expressionsmuster über Zytokine revertiert werden können, werden verschiedene Regulationsmechanismen als Ursache für die Defizienzen postuliert. Auch in Zellen, die den „human epidermal growth factor receptor 2“ (HER-2/neu) überexprimieren, wurden derartige „Immune escape“-Mechanismen identifiziert. Aufgrund der Amplifikation und/oder Überexpression dieses Onkogens in Tumoren, die mit einer schnellen Progression der Erkrankung und einer schlechten Heilungsprognose assoziiert ist, wurden zahlreiche Therapien entwickelt, die auf einer Mobilisierung des Immunsystems gegenüber HER-2/neu oder dessen Blockade durch spezifische Antikörper abzielen. Die bisher jedoch nur unzureichenden Erfolge dieser Therapien könnten ihre Ursache in einer verminderten Immunogenität der HER-2/neu+-Zellen aufgrund von Defizienzen in der MHC Klasse I-Antigenprozessierung haben, weshalb die Untersuchung der molekularen Ursachen dieser Suppression für die Therapie von HER-2/neu+-Tumoren von besonderer Bedeutung ist. In dieser Arbeit wurde anhand eines in vitro-Systems ein HER-2/neu-vermittelter „Immune escape“-Phänotyp charakterisiert und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen untersucht. Hierzu wurden murine, HER-2/neu--NIH3T3-Zellen mit HER-2/neu-transfizierten NIH3T3-Zellen verglichen. Die Untersuchung zeigte, dass die Oberflächenexpression von MHC Klasse I-Antigenen bei einer HER-2/neu-Überexpression vermindert ist. Dies ist assoziiert mit reduzierten Expressionen von LMP2, LMP10, PA28a, PA28b, ERAAP, TAP1, TAP2, und Tapasin, einem blockiertem TAP-Transport und einer fehlenden Sensitivität gegenüber einer ZTL-vermittelten Lyse. Da die analysierten Defekte durch eine Stimulation mit IFN‑g wieder revertiert werden können, wird eine transkriptionelle oder translationelle Regulation der betroffenen Gene durch HER-2/neu postuliert. Aufgrund dieser Ergebnisse ist eine T-Zell-vermittelte Therapie von HER-2/neu+-Tumoren als kritisch anzusehen. Die Untersuchung der Promotoren von TAP1/LMP2, TAP2 und Tapasin ergab geringere und durch IFN‑g-induzierbare Promotoraktivitäten in den HER-2/neu+-Zellen im Vergleich zu den HER-2/neu—-Zellen. Mittels Mutagenese-PCR und Gelretardationsanalysen konnte die Bindung eines Komplexes an zwei E2F- und einer P300-Bindungsstelle im Tapasin-Promotor identifiziert werden, die für die HER-2/neu-vermittelte Hemmung der Tapasin-Promotor­aktivität essentiell ist. Eine Inaktivierung der E2F- und P300-Motve in den TAP1/LMP2- und TAP2-Promotoren hatte dagegen keinen Einfluss auf die HER-2/neu-vermittelte Blockade der Promotoraktivität. Ein Vergleich der Promotoraktivitäten der HER-2/neu+- mit Ras-transformierten Zellen ergab, dass die TAP1/LMP2- und TAP2-Promotoren in beiden Zellen supprimiert werden, während der Tapasin-Promotor bei Ras-Transformation nicht beein­trächtigt ist. Der Einsatz von Inhibitoren zeigte, dass die Suppression des Tapasin-Promotors vermutlich über die PLC-g-PKC-Kaskade erfolgt. Dagegen konnte mit Inhibitoren gegen MAPK und PI3Kinase kein vergleichbarer Effekt erzielt werden. Aufgrund dieser Daten wird postuliert, dass HER-2/neu über die Signalkaskade PLC-g–PKC–E2F/P300 die Tapasin-Promotoraktivität supprimiert, wohingegen noch bisher unbekannte Signalkaskaden von HER-2/neu und Ras zu einer Hemmung der TAP1/LMP2- und TAP2-Promotoraktivität führen. Da die Komplexbildung von E2F und P300 auch im Zellzyklus eine Rolle spielt, wird eine negative Korrelation zwischen Zell-Proliferation und MHC Klasse I-Antigenpräsentation postuliert, die Gegenstand künftiger Studien sein wird.

Nanosized polymer carriers for metallocene catalysts in heterogeneous olefin polymerization

Das Ziel der vorgelegten Arbeit war die Synthese von definierten, sphärischen Polystyrolpartikeln im Größenbreichen von Nanometern, die als Träger für die Immobilisierung von Metallocenkatalysatoren verwendet werden sollten. Ein wichtiger Anspruch an das System war dabei die Möglichkeit einer homogene Verteilung des Metallocenes auf dem Träger and eine homogene Fragmentierung des geträgerten Katalysators während der Polymerisation im Polymerprodukt. Für diese Zielsetzung wurden unterschiedliche Polystyrolnanopartikel hergestellt. Die Polystyrolnanopartikel waren mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen wie Polyethylenoxid- und Polypropylenoxidketten oder Hydroxygruppen auf der Oberfläche versehen, um den Metallocenkatalysator und den Cokatalysator MAO immobilisieren zu können. In verschiedenen Experimenten wurde der Einfluss dieser Polystyrolnanopartikel als Träger auf die Katalysatoreigenschaften wie Aktivität oder Produktivität und die Eigenschaften des produzierten Polyolefins wie z.B. Molekulargewicht und Morphologie untersucht. Im Vergleich zu den PS- Nanopartikeln wurden außerdem PS-Mikropartikel, Silica und Dendrimere als Träger in der heterogenen Olefinpolymerisation eingesetzt. Von all diesen Trägersystemen wurde das Fragmentierungsverhalten durch konfocale Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die hergestellten Polystyrolnanopartikel neuartige und leistungsfähige Träger für heterogene Polymerisationsprozesse darstellen. Die hergestellten Polystyrolnanopartikel besaßen eine wohldefinierte sphärische Struktur, die eine homogene Verteilung des immobilisierten Metallocenkatalysators und somit auch eine vollständige Fragmentierung des geträgerten Katalysators im hergestellten Polyolefin ermöglichte. Die Katalysatorsysteme, die aus den PS- Nanopartikeln und dem Metallocenkatalysator zusammengesetzt waren, wurden in verschiedenen Polymerisationen wie der Ethylen- oder Propylenhomopolymersation und der Copolymerisation von Ethen mit α- Olefinen getestet. Die Oberflächen- funktionalisierten PS Nanopartikel immobilisierten den Metallocenkatalysator ausreichend gut, so dass kein „Leachen“ (Ablösen) des Katalysators von der Trägeroberfläche festgestellt werden konnte und deshalb Polymer von sehr guter Morphologie erhalten wurde. Um die Fragmentierung des Katalysators und den inneren Aufbau des Polymers näher untersuchen zu können, wurde die konfocale Fluoreszenzmikroskopie für das PS- Nanopartikelträgersystem angewendet. Durch farbstoffmarkierte Trägerpartikel konnte die Verteilung des fragmentierten Katalysators innerhalb des Polymers sichtbar gemacht und analysiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass sich PS- Nanopartikel und auch Dendrimere als Träger ähnlich verhalten wie Ziegler- Natta- Katalysatoren, die auf MgCl2 immobilisiert für die heterogene Olefinpolymerisation verwendet werden. Das Fragmentierungsverhalten der Silica oder PS- Mirkopartikel geträgerten Systeme entsprach dagegen dem schichtweisen Fragmentierungsverhalten wie es bereits von Fink und Mitarbeitern beschrieben wurde.

The C-4-Dicarboxylate carriers DcuB and DctA of Escherichia coli: function as cosensors and topology

Das fakultativ anaerobe Enterobakterium Escherichia coli nutzt C4-Dicarboxylate sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen als Kohlenstoff- und Energiequelle. Die Aufnahme der C4-Dicarboxylaten und die Energiekonservierung mittels Fumaratatmung wird durch das Zweikomponentensystem DcuSR reguliert. Die Sensorhistidinkinase DcuS und der nachgeschaltete Responseregulator DcuR aktivieren bei Verfügbarkeit von C4-Dicarboxylaten die Expression der Gene für den Succinat Transporter DctA, den anaeroben Fumarat/Succinat Antiporter DcuB, die Fumarase B sowie die Fumaratreduktase FrdABCD. Die Transportproteine DctA und DcuB wiederum regulieren die Expression der DcuSR-abhängigen Gene negativ. Fehlen von DctA oder DcuB resultiert bereits ohne Effektor in einer maximalen Expression von dctA bzw. dcuB. Durch gerichtete und ungerichtete Mutagenese wurde gezeigt, dass die Transportfunktion des Carriers DcuB unabhängig von seiner regulatorischen Funktion ist. DcuB kann daher als Cosensor des DcuSR Systems angesehen werden.rnUnter Verwendung von Reportergenfusionen von C-terminal verkürzten Konstrukten von DcuB mit der Alkalischen Phosphatase und der β-Galactosidase wurde die Topologie des Multitransmembranproteins DcuB bestimmt. Zusätzlich wurde die Zugänglichkeit bestimmter Aminosäurereste durch chemische Modifikation mit membran-durchlässigen und membran-undurchlässigen Thiolreagenzien untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse deuten auf die Existenz eines tief in die Membran reichenden, hydrophilen Kanal hin, welcher zum Periplasma hin geöffnet ist. Mit Hilfe der Topologie-Studien, des Hydropathie-Blots und der Sekundärstruktur-Vorhersage wurde ein Modell des Carriers erstellt. DcuB besitzt kurze, periplasmatisch liegende Proteinenden, die durch 12 Transmembranhelices und zwei große hydrophile Schleifen jeweils zwischen TM VII/VIII und TM XI/XII verbunden sind. Die regulatorisch relevanten Reste K353, T396 und D398 befinden sich innerhalb von TM XI sowie auf der angrenzenden cytoplasmatischen Schleife XI-XII. Unter Berücksichtigung der strukturellen und funktionellen Aspekte wurde ein Regulationsmodell erstellt, welches die gemeinsam durch DcuB und DcuS kontrollierte C4-Dicarboxylat-abhängige Genexpression darstellt. rnDer Effekt von DctA und DcuSR auf die Expression einer dctA´-´lacZ Reportergenfusion und auf die aerobe C4-Dicarboxylat-Aufnahme wurde untersucht. In-vivo FRET-Messungen weisen auf eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Carrier DctA und dem Sensor DcuS hin. Dieses Ergebnis stützt die Theorie der Regulation von DcuS durch C4-Dicarboxylate und durch die Cosensoren DctA bzw. DcuB mittels direkter Protein-Protein Interaktion.rn

Nanoparticles for efficient uptake by human dendritic cells and T lymphocytes to be used in adoptive immunotherapy

Dendritic cells (DCs) are the most potent cell type for capture, processing, and presentation of antigens. They are able to activate naïve T cells as well as to initiate memory T-cell immune responses. T lymphocytes are key elements in eliciting cellular immunity against bacteria and viruses as well as in the generation of anti-tumor and anti-leukemia immune responses. Because of their central position in the immunological network, specific manipulations of these cell types provide promising possibilities for novel immunotherapies. Nanoparticles (NP) that have just recently been investigated for use as carriers of drugs or imaging agents, are well suited for therapeutic applications in vitro and also in vivo since they can be addressed to cells with a high target specificity upon surface functionalization. As a first prerequisite, an efficient in vitro labeling of cells with NP has to be established. In this work we developed protocols allowing an effective loading of human monocyte-derived DCs and primary antigen-specific T cells with newly designed NP without affecting biological cell functions. Polystyrene NP that have been synthesized by the miniemulsion technique contained perylenmonoimide (PMI) as a fluorochrome, allowing the rapid determination of intracellular uptake by flow cytometry. To confirm intracellular localization, NP-loaded cells were analyzed by confocal laser scanning microscopy (cLSM) and transmission electron microscopy (TEM). Functional analyses of NP-loaded cells were performed by IFN-γ ELISPOT, 51Chromium-release, and 3H-thymidine proliferation assays. In the first part of this study, we observed strong labeling of DCs with amino-functionalized NP. Even after 8 days 95% of DCs had retained nanoparticles with a median fluorescence intensity of 67% compared to day 1. NP loading did not influence expression of cell surface molecules that are specific for mature DCs (mDCs) nor did it influence the immunostimulatory capacity of mDCs. This procedure did also not impair the capability of DCs for uptake, processing and presentation of viral antigens that has not been shown before for NP in DCs. In the second part of this work, the protocol was adapted to the very different conditions with T lymphocytes. We used leukemia-, tumor-, and allo-human leukocyte antigen (HLA) reactive CD8+ or CD4+ T cells as model systems. Our data showed that amino-functionalized NP were taken up very efficiently also by T lymphocytes, which usually had a lower capacity for NP incorporation compared to other cell types. In contrast to DCs, T cells released 70-90% of incorporated NP during the first 24 h, which points to the need to escape from intracellular uptake pathways before export to the outside can occur. Preliminary data with biodegradable nanocapsules (NC) revealed that encapsulated cargo molecules could, in principle, escape from the endolysosomal compartment after loading into T lymphocytes. T cell function was not influenced by NP load at low to intermediate concentrations of 25 to 150 μg/mL. Overall, our data suggest that NP and NC are promising tools for the delivery of drugs, antigens, and other molecules into DCs and T lymphocytes.

Leishmania major promastigote entry of an autophagy-like compartment and amastigote escape from the parasitophorous vacuole

In this thesis, we investigated the interaction of the obligate intracellular parasite Leishmania (L.) major with two phenotypes of human monocyte derived macrophages (hMDMs). Thereby we focused on the development and maturation of the parasitophorous vacuole (PV) and could show that compartment development is dependent on the parasite stage.rnFocusing on the ultrastructure of PVs containing axenic amastigotes, we demonstrated that the parasites are partially located in damaged PVs or in the cytoplasm of the host. Moreover, we visualized multiple amastigotes in a common PV 144 h p.i. in pro-inflammatory hMDM I but not in anti-inflammatory hMDM II indicating different PV development. rnRegarding the promastigote form, we demonstrated a different uptake of viable and apoptotic L. major promastigotes by hMDMs. Viable promastigotes are predominantly taken up via the flagellum tip whereas apoptotic promastigotes enter the cells via the parasite body. Analyzing compartment maturation, we found that 20-30% of the PVs get positive for the early maturation markers PI3P and EEA1 independent of the viability of the parasites and unaffected by the human macrophage type. Subsequently, 25-40% of the parasites acquire the autophagy marker LC3 on their PV, what is independent of the viability of the parasites as well. We quantified this and in hMDM II less LC3-positive compartments formed compared to hMDM I. Analyzing the ultrastructure, we investigated that the compartments consist of a single-membrane PV characteristic for LC3-associated phagocytosis (LAP). Involvement of LAP was confirmed by demonstrating that the protein kinase ULK1 is dispensable for LC3-compartment formation around Leishmania PVs. Visualizing compartment dynamics in real time showed that apoptotic promastigotes are degraded in LC3-positve compartments, whereas viable promastigotes are able to get rid of LC3-protein on their PV suggesting an involvement in parasite development and survival. In this thesis, we established a lentiviral based fluorescent imaging technique that we combined with High-Pressure-Freezing (HPF) and high-resolution 3D electron microscopy. We visualized a promastigote in a LC3-compartment whose ultrastructure showed an opening of the PV to the outside. To identify new LAP markers involved in Leishmania infection, we established an immuno-magnetic isolation protocol for the purification of Leishmania containing compartments.rnIn conclusion, this study suggests that L. major compartment biogenesis and maturation in pro- and anti-inflammatory human macrophages is dependent on the parasite stage and is different between axenic amastigotes, viable promastigotes and apoptotic promastigotes. Understanding the development and maturation of Leishmania parasites in human host cells is important to control and combat the neglected disease leishmaniasis in the future.rn

Confocal imaging protocols for live/dead staining in three-dimensional carriers

In tissue engineering, a variety of methods are commonly used to evaluate survival of cells inside tissues or three-dimensional (3D) carriers. Among these methods confocal laser scanning microscopy opened accessibility of 3D tissue using live cell imaging into the tissue or 3D scaffolds. However, although this technique is ideally applied to 3D tissue or scaffolds with thickness up to several millimetres, this application is surprisingly rare and scans are often done on slices with thickness <20 μm. Here, we present novel protocols for the staining of 3D tissue (e.g. intervertebral disc tissue) and scaffolds, such as fibrin gels or alginate beads.

Escape mechanisms after antiangiogenic treatment, or why are the tumors growing again?

Inhibitors of angiogenesis and radiation induce compensatory changes in the tumor vasculature both during and after cessation of treatment. In numerous preclinical studies, angiogenesis inhibitors were shown to be efficient in the treatment of many pathological conditions, including solid cancers. In most clinical trials, however, this approach turned out to have no significant effect, especially if applied as monotherapy. Recovery of tumors after therapy is a major problem in the management of cancer patients. The mechanisms underlying tumor recovery (or therapy resistance) have not yet been explicitly elucidated. This review deals with the transient switch from sprouting to intussusceptive angiogenesis, which may be an adaptive response of tumor vasculature to cancer therapy that allows the vasculature to maintain its functional properties. Potential candidates for molecular targeting of this angioadaptive mechanism are yet to be elucidated in order to improve the currently poor efficacy of contemporary antiangiogenic therapies.

Strain-specific spleen remodelling in Plasmodium yoelii infections in Balb/c mice facilitates adherence and spleen macrophage-clearance escape

Knowledge of the dynamic features of the processes driven by malaria parasites in the spleen is lacking. To gain insight into the function and structure of the spleen in malaria, we have implemented intravital microscopy and magnetic resonance imaging of the mouse spleen in experimental infections with non-lethal (17X) and lethal (17XL) Plasmodium yoelii strains. Noticeably, there was higher parasite accumulation, reduced motility, loss of directionality, increased residence time and altered magnetic resonance only in the spleens of mice infected with 17X. Moreover, these differences were associated with the formation of a strain-specific induced spleen tissue barrier of fibroblastic origin, with red pulp macrophage-clearance evasion and with adherence of infected red blood cells to this barrier. Our data suggest that in this reticulocyte-prone non-lethal rodent malaria model, passage through the spleen is different from what is known in other Plasmodium species and open new avenues for functional/structural studies of this lymphoid organ in malaria.

Panel 2: Rescue and Escape from the Holocaust

Panel 2: Rescue and Escape from the Holocaust Nina Paulovicova, University of Alberta, Canada: “The Silenced Phenomenon of Cross-National Rescue: 'Leaking Border' and Paid Smugglers” Download Paper (login required) Tomasz Frydel, University of Toronto: "Rescue or Denunciation of Jews? A Case Study of Southeastern Poland during German Occupation" Download Paper (login required) Tanja von Fransecky, Technical University, Berlin, Germany: "Escape and Attempted Escape of Jewish Deportees from Deportation Trains in France, Belgium and the Netherlands” Download Paper (login required) Chair: Adara Goldberg and Elizabeth Anthony, Clark UniversityComment: Deborah Dwork, Clark University