Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies

Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenüber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte “core-satellite” Strukturen synthetisiert, die um einen großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.

Antigenspezifische DNA-Immunisierung in Kombination mit IDO-kodierenden Plasmiden zur Therapie der experimentellen Typ I-Allergie

Derzeit stellt die allergenspezifische Immuntherapie die einzige nicht allein antisymptomatische Behandlungsform zur langfristigen Therapie von Typ I-Allergien dar, welche grundlegende Änderungen im immunologischen Geschehen induziert. Sie ist jedoch verbesserungswürdig in Bezug auf Behandlungsdauer, Erfolgschancen und Nebenwirkungen. Daher wurde in dieser Arbeit eine Strategie zur Therapie von Typ I-Allergien entwickelt und evaluiert, welche auf der Inhibition allergenspezifischer T-Zellen durch Dendritische Zellen (DC), die selektiv nach DNA-Immunisierung sowohl das relevante Allergen als auch Indolamin 2,3-dioxygenase (IDO) konstitutiv produzieren, basiert. IDO ist ein Enzym aus dem Tryptophan-Stoffwechsel, dessen Produktion durch DC einen lokalen immunsuppressiven Mechanismus induziert und in verschiedenen Situationen mit der Induktion peripherer Toleranz assoziiert ist. Zunächst wurden Plasmide hergestellt, die entweder IDO alleine oder IDO zusammen mit dem Antigen unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV- bzw. des DC-spezifischen Fascin-Promotors kodieren. Die Überprüfung der IDO-Expression durch die monocistronischen Plasmide anhand von Transfektionsexperimenten in vitro ergab, dass die IDO-Expression unter der Kontrolle des CMV-Promotors sehr viel stärker ausfiel als unter der Kontrolle des Fascin-Promotors. Nach Transfektion mit den bicistronischen Vektoren, in denen die Transgene für das Antigen und IDO durch eine IRES-Sequenz verbunden waren, war die IDO-Expression jedoch insgesamt sehr schwach. Im Rahmen der Überprüfung der Funktionalität der IDO-Expressionplasmide in vivo unter Verwendung der Genpistole wurden daher lediglich Plasmide getestet, die alleine IDO unter der Kontrolle des CMV-Promotors bzw. des Fascin-Promotors kodieren. Auch in vivo wurde eine stärkere IDO-Expression nach biolistischer Transfektion mit solchen Vektoren beobachtet, in denen der CMV-Promotor zur Expressionskontrolle verwendet wurde. Die Analyse des Einflusses einer Koexpression von IDO auf die durch biolistische Immunisierung mit einem antigenkodierenden Vektor induzierte systemische Immunantwort offenbarte einen inhibitorischer Effekt für den Fall, dass die Antigenproduktion mittels des Fascin-Promotors auf DC fokussiert war und die Expression des koapplizierten IDO-Transgens unter der Kontrolle des CMV-Promotors stand. In diesem Fall wurde eine Reduktion der antigenspezifischen IgG1- und IgG2a-Produktion, eine verringerte Sekretion von IFN-y durch restimulierte Milz- und Lymphknotenzellen sowie eine Reduktion der Zahl antigenspezifischer CD8+ Effektor-T-Zellen nachgewiesen. Im Mausmodell der IgE-vermittelten Typ I-Allergie wurde weiterhin gezeigt, dass nach prophylaktischer biolistischer Vakzinierung unter Verwendung dieser Vektorkombination eine Inhibition der durch die Vakzinierung bedingten antigenspezifischen Th1-Immunantwort ausgelöst wurde. Die Suppression der Th2-Antwort, welche durch Transfektion mit dem Antigenkodierenden Vektor unter Kontrolle des Fascin-Promotors bewirkt wurde, wurde durch Kotransfektion mit den IDO-kodierenden Vektoren aufrecht erhalten.

Effect of voluntary exercise on number and volume of cardiomyocytes and their mitochondria in the mouse left ventricle

Voluntary exercise (VE) has a beneficial influence on the heart and mean lifespan. The present study evaluates structural adaptations of cardiomyocytes and their mitochondria due to VE by new, unbiased stereological methods. Female, 7-9-week-old mice were randomly assigned to a control (CG, n = 7) or VE group (EG, n = 7). EG animals were housed in cages with free access to a running wheel and had a mean running distance of 6.7 (1.8) km per day. After 4 weeks, the hearts of all mice were processed for light and electron microscopy. We estimated the number and volume of cardiomyocytes by the disector method and the number and volume of mitochondria by estimation of the Euler number. In comparison to CG, VE did not have an effect on the myocardial volume of the left ventricle (CG: 93 (10), EG: 103 (17) (mm(3))), the number of cardiomyocytes (CG: 2.81 (0.27), EG: 2.82 (0.43) (x10(6))) and their number-weighted mean volume. However, the composition of the cardiomyocytes changed due to VE. The total volume of mitochondria (CG: 21.8 (4.9), EG: 32.2 (4.3) (mm(3)), P < 0.01) and the total number (CG: 3.76 (0.44), EG: 7.02 (1.13) (x10(10)), P < 0.001) were significantly higher in EG than in CG. The mean number-weighted mitochondrial volume was smaller in EG than in CG (P < 0.05). In summary, VE does not alter ventricular volume nor cardiomyocyte volume or number but the oxidative capacity of cardiomyocytes by an increased mitochondrial number and total volume in the left ventricle. These structural changes may participate in the beneficial effects of VE.

Methylprednisolone Fails to Preserve Pulmonary Surfactant and Blood-Air Barrier Integrity in a Porcine Cardiopulmonary Bypass Model

BACKGROUND: Pulmonary inflammation after cardiac surgery with cardiopulmonary bypass (CPB) has been linked to respiratory dysfunction and ultrastructural injury. Whether pretreatment with methylprednisolone (MP) can preserve pulmonary surfactant and blood-air barrier, thereby improving pulmonary function, was tested in a porcine CPB-model. MATERIALS AND METHODS: After randomizing pigs to placebo (PLA; n = 5) or MP (30 mg/kg, MP; n = 5), animals were subjected to 3 h of CPB with 1 h of cardioplegic cardiac arrest. Hemodynamic data, plasma tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha, ELISA), and pulmonary function parameters were assessed before, 15 min after CPB, and 8 h after CPB. Lung biopsies were analyzed for TNF-alpha (Western blot) or blood-air barrier and surfactant morphology (electron microscopy, stereology). RESULTS: Systemic TNF-alpha increased and cardiac index decreased at 8 h after CPB in PLA (P < 0.05 versus pre-CPB), but not in MP (P < 0.05 versus PLA). In both groups, at 8 h after CPB, PaO(2) and PaO(2)/FiO(2) were decreased and arterio-alveolar oxygen difference and pulmonary vascular resistance were increased (P < 0.05 versus baseline). Postoperative pulmonary TNF-alpha remained unchanged in both groups, but tended to be higher in PLA (P = 0.06 versus MP). The volume fraction of inactivated intra-alveolar surfactant was increased in PLA (58 +/- 17% versus 83 +/- 6%) and MP (55 +/- 18% versus 80 +/- 17%) after CPB (P < 0.05 versus baseline for both groups). Profound blood-air barrier injury was present in both groups at 8 h as indicated by an increased blood-air barrier integrity score (PLA: 1.28 +/- 0.03 versus 1.70 +/- 0.1; MP: 1.27 +/- 0.08 versus 1.81 +/- 0.1; P < 0.05). CONCLUSION: Despite reduction of the systemic inflammatory response and pulmonary TNF-alpha generation, methylprednisolone fails to decrease pulmonary TNF-alpha and to preserve pulmonary surfactant morphology, blood-air barrier integrity, and pulmonary function after CPB.

Role of protein translocation pathways across the endoplasmic reticulum in Trypanosoma brucei

The translocation of secretory and membrane proteins across the endoplasmic reticulum (ER) membrane is mediated by co-translational (via the signal recognition particle (SRP)) and post-translational mechanisms. In this study, we investigated the relative contributions of these two pathways in trypanosomes. A homologue of SEC71, which functions in the post-translocation chaperone pathway in yeast, was identified and silenced by RNA interference. This factor is essential for parasite viability. In SEC71-silenced cells, signal peptide (SP)-containing proteins traversed the ER, but several were mislocalized, whereas polytopic membrane protein biogenesis was unaffected. Surprisingly trypanosomes can interchangeably utilize two of the pathways to translocate SP-containing proteins except for glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins, whose level was reduced in SEC71-silenced cells but not in cells depleted for SRP68, an SRP-binding protein. Entry of SP-containing proteins to the ER was significantly blocked only in cells co-silenced for the two translocation pathways (SEC71 and SRP68). SEC63, a factor essential for both translocation pathways in yeast, was identified and silenced by RNA interference. SEC63 silencing affected entry to the ER of both SP-containing proteins and polytopic membrane proteins, suggesting that, as in yeast, this factor is essential for both translocation pathways in vivo. This study suggests that, unlike bacteria or other eukaryotes, trypanosomes are generally promiscuous in their choice of mechanism for translocating SP-containing proteins to the ER, although the SRP-independent pathway is favored for glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins, which are the most abundant surface proteins in these parasites.

Emergence and spread of Chlamydia trachomatis variant, Sweden

A variant of Chlamydia trachomatis that had escaped detection by commonly used systems was discovered in Sweden in 2006. In a nationwide study, we found that it is now prevalent across Sweden, irrespective of the detection system used. Genetic analysis by multilocus sequence typing identified a predominant variant, suggesting recent emergence.

TLR2 and TLR4 agonists induce production of the vasoactive peptide endothelin-1 by human dendritic cells

Endothelin-1 (ET-1) is mainly secreted by endothelial cells and acts as a potent vasoconstrictor. In addition ET-1 has also been shown to have pleiotropic effects on a variety of other systems including adaptive immunity. There are two main ET-1 receptors, ET(A) and ET(B), which have different tissue and functional distributions. Dendritic cells (DC) are pivotal antigen-presenting cells linking the innate with the adaptive immune system. DC are sentinels expressing pattern-recognition receptors, e.g. the toll-like receptors (TLR) for detecting danger signals released from pathogens or tissue injury. Here we show for the first time that stimulation of human monocyte-derived DC with exogenous as well as endogenous selective TLR4 and TLR2 agonists induces the production of ET-1 in a dose- and time-dependent manner. 'Alternative' activation of DC in the presence of 1alpha,25-dihydroxyvitamin D(3) results in a marked potentiation of the endothelin response, whereas prostaglandin E(2) or dexamethasone do not increase ET-1 production. Furthermore, chetomin, an inhibitor of the transcription factor hypoxia-inducible factor 1alpha (HIF-1alpha), prevents TLR-mediated secretion of ET-1. Surprisingly, stimulation of human monocytes with LPS does not lead to secretion of detectable amounts of ET-1. These results suggest a role of ET-1 as an important player in human DC biology and innate immunity in general.

Beta1 integrin deficiency results in multiple abnormalities of the knee joint

The lack of beta1 integrins on chondrocytes leads to severe chondrodysplasia associated with high mortality rate around birth. To assess the impact of beta1 integrin-mediated cell-matrix interactions on the function of adult knee joints, we conditionally deleted the beta1 integrin gene in early limb mesenchyme using the Prx1-cre transgene. Mutant mice developed short limbed dwarfism and had joint defects due to beta1 integrin deficiency in articular regions. The articular cartilage (AC) was structurally disorganized, accompanied by accelerated terminal differentiation, altered shape, and disrupted actin cytoskeleton of the chondrocytes. Defects in chondrocyte proliferation, cytokinesis, and survival resulted in hypocellularity. However, no significant differences in cartilage erosion, in the expression of matrix-degrading proteases, or in the exposure of aggrecan and collagen II cleavage neoepitopes were observed between control and mutant AC. We found no evidence for disturbed activation of MAPKs (ERK1/2, p38, and JNK) in vivo. Furthermore, fibronectin fragment-stimulated ERK activation and MMP-13 expression were indistinguishable in control and mutant femoral head explants. The mutant synovium was hyperplastic and frequently underwent chondrogenic differentiation. beta1-null synoviocytes showed increased proliferation and phospho-focal adhesion kinase expression. Taken together, deletion of beta1 integrins in the limb bud results in multiple abnormalities of the knee joints; however, it does not accelerate AC destruction, perturb cartilage metabolism, or influence intracellular MAPK signaling pathways.

Increasing Quality in large scale University Courses

Quality of education should be stable or permanently increased – even if the number of students rises. Quality of education is often related to possibilities for active learning and individual facilitation. This paper deals with the question how high-quality learning within oversized courses could be enabled and it presents the approach of e-flashcards that enables active learning and individual facilitation within large scale university courses.