Microarray based real-time analysis of nucleic acid hybridization kinetics and thermodynamics

Ziel dieser Dissertation ist die experimentelle Charakterisierung und quantitative Beschreibung der Hybridisierung von komplementären Nukleinsäuresträngen mit oberflächengebundenen Fängermolekülen für die Entwicklung von integrierten Biosensoren. Im Gegensatz zu lösungsbasierten Verfahren ist mit Microarray Substraten die Untersuchung vieler Nukleinsäurekombinationen parallel möglich. Als biologisch relevantes Evaluierungssystem wurde das in Eukaryoten universell exprimierte Actin Gen aus unterschiedlichen Pflanzenspezies verwendet. Dieses Testsystem ermöglicht es, nahe verwandte Pflanzenarten auf Grund von geringen Unterschieden in der Gen-Sequenz (SNPs) zu charakterisieren. Aufbauend auf dieses gut studierte Modell eines House-Keeping Genes wurde ein umfassendes Microarray System, bestehend aus kurzen und langen Oligonukleotiden (mit eingebauten LNA-Molekülen), cDNAs sowie DNA und RNA Targets realisiert. Damit konnte ein für online Messung optimiertes Testsystem mit hohen Signalstärken entwickelt werden. Basierend auf den Ergebnissen wurde der gesamte Signalpfad von Nukleinsärekonzentration bis zum digitalen Wert modelliert. Die aus der Entwicklung und den Experimenten gewonnen Erkenntnisse über die Kinetik und Thermodynamik von Hybridisierung sind in drei Publikationen zusammengefasst die das Rückgrat dieser Dissertation bilden. Die erste Publikation beschreibt die Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Spezifizität von Microarray Ergebnissen durch online Messung von Kinetik und Thermodynamik gegenüber endpunktbasierten Messungen mit Standard Microarrays. Für die Auswertung der riesigen Datenmengen wurden zwei Algorithmen entwickelt, eine reaktionskinetische Modellierung der Isothermen und ein auf der Fermi-Dirac Statistik beruhende Beschreibung des Schmelzüberganges. Diese Algorithmen werden in der zweiten Publikation beschrieben. Durch die Realisierung von gleichen Sequenzen in den chemisch unterschiedlichen Nukleinsäuren (DNA, RNA und LNA) ist es möglich, definierte Unterschiede in der Konformation des Riboserings und der C5-Methylgruppe der Pyrimidine zu untersuchen. Die kompetitive Wechselwirkung dieser unterschiedlichen Nukleinsäuren gleicher Sequenz und die Auswirkungen auf Kinetik und Thermodynamik ist das Thema der dritten Publikation. Neben der molekularbiologischen und technologischen Entwicklung im Bereich der Sensorik von Hybridisierungsreaktionen oberflächengebundener Nukleinsäuremolekülen, der automatisierten Auswertung und Modellierung der anfallenden Datenmengen und der damit verbundenen besseren quantitativen Beschreibung von Kinetik und Thermodynamik dieser Reaktionen tragen die Ergebnisse zum besseren Verständnis der physikalisch-chemischen Struktur des elementarsten biologischen Moleküls und seiner nach wie vor nicht vollständig verstandenen Spezifizität bei.

Dynamic distance analysis : new geometric data structures and algorithms for the real-time calculation of tolerance violating regions in the digital mockup process

In vielen Industriezweigen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, werden Digitale Versuchsmodelle (Digital MockUps) eingesetzt, um die Konstruktion und die Funktion eines Produkts am virtuellen Prototypen zu überprüfen. Ein Anwendungsfall ist dabei die Überprüfung von Sicherheitsabständen einzelner Bauteile, die sogenannte Abstandsanalyse. Ingenieure ermitteln dabei für bestimmte Bauteile, ob diese in ihrer Ruhelage sowie während einer Bewegung einen vorgegeben Sicherheitsabstand zu den umgebenden Bauteilen einhalten. Unterschreiten Bauteile den Sicherheitsabstand, so muss deren Form oder Lage verändert werden. Dazu ist es wichtig, die Bereiche der Bauteile, welche den Sicherhabstand verletzen, genau zu kennen. rnrnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine Lösung zur Echtzeitberechnung aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Bereiche zwischen zwei geometrischen Objekten. Die Objekte sind dabei jeweils als Menge von Primitiven (z.B. Dreiecken) gegeben. Für jeden Zeitpunkt, in dem eine Transformation auf eines der Objekte angewendet wird, berechnen wir die Menge aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Primitive und bezeichnen diese als die Menge aller toleranzverletzenden Primitive. Wir präsentieren in dieser Arbeit eine ganzheitliche Lösung, welche sich in die folgenden drei großen Themengebiete unterteilen lässt.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir Algorithmen, die für zwei Dreiecke überprüfen, ob diese toleranzverletzend sind. Hierfür präsentieren wir verschiedene Ansätze für Dreiecks-Dreiecks Toleranztests und zeigen, dass spezielle Toleranztests deutlich performanter sind als bisher verwendete Abstandsberechnungen. Im Fokus unserer Arbeit steht dabei die Entwicklung eines neuartigen Toleranztests, welcher im Dualraum arbeitet. In all unseren Benchmarks zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive beweist sich unser Ansatz im dualen Raum immer als der Performanteste.rnrnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Datenstrukturen und Algorithmen zur Echtzeitberechnung aller toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei geometrischen Objekten. Wir entwickeln eine kombinierte Datenstruktur, die sich aus einer flachen hierarchischen Datenstruktur und mehreren Uniform Grids zusammensetzt. Um effiziente Laufzeiten zu gewährleisten ist es vor allem wichtig, den geforderten Sicherheitsabstand sinnvoll im Design der Datenstrukturen und der Anfragealgorithmen zu beachten. Wir präsentieren hierzu Lösungen, die die Menge der zu testenden Paare von Primitiven schnell bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir Strategien, wie Primitive als toleranzverletzend erkannt werden können, ohne einen aufwändigen Primitiv-Primitiv Toleranztest zu berechnen. In unseren Benchmarks zeigen wir, dass wir mit unseren Lösungen in der Lage sind, in Echtzeit alle toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei komplexen geometrischen Objekten, bestehend aus jeweils vielen hunderttausend Primitiven, zu berechnen. rnrnIm dritten Teil präsentieren wir eine neuartige, speicheroptimierte Datenstruktur zur Verwaltung der Zellinhalte der zuvor verwendeten Uniform Grids. Wir bezeichnen diese Datenstruktur als Shrubs. Bisherige Ansätze zur Speicheroptimierung von Uniform Grids beziehen sich vor allem auf Hashing Methoden. Diese reduzieren aber nicht den Speicherverbrauch der Zellinhalte. In unserem Anwendungsfall haben benachbarte Zellen oft ähnliche Inhalte. Unser Ansatz ist in der Lage, den Speicherbedarf der Zellinhalte eines Uniform Grids, basierend auf den redundanten Zellinhalten, verlustlos auf ein fünftel der bisherigen Größe zu komprimieren und zur Laufzeit zu dekomprimieren.rnrnAbschießend zeigen wir, wie unsere Lösung zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive Anwendung in der Praxis finden kann. Neben der reinen Abstandsanalyse zeigen wir Anwendungen für verschiedene Problemstellungen der Pfadplanung.

Real-time control of an Electrodynamic Shaker

Questa tesi è essenzialmente focalizzata sullo sviluppo di un sistema di controllo in tempo reale per uno Shaker Elettrodinamico usato per riprodurre profili di vibrazione ambientale registrati in contesti reali e di interesse per il recupero di energia. Grazie all'utilizzo di uno shaker elettrodinamico è quindi possibile riprodurre scenari di vibrazione reale in laboratorio e valutare più agevolmente le prestazioni dei trasduttori meccanici. Tuttavia, è richiesto un controllo dello Shaker non solo in termini di stabilità ma anche per garantire l'esatta riproduzione del segnale registrato nel contesto reale. In questa tesi, si è scelto di sviluppare un controllo adattivo nel dominio del tempo per garantire la corretta riproduzione del profilo di accelerazione desiderato. L'algoritmo è stato poi implementato sul sistema di prototipazione rapida dSPACE DS1104 basata su microprocessore PowerPC. La natura adattiva dell'algoritmo proposto permette di identificare cambiamenti nella risposta dinamica del sistema, e di regolare di conseguenza i parametri del controllore. Il controllo del sistema è stato ottenuto anteponendo al sistema un filtro adattivo la cui funzione di trasferimento viene continuamente adattata per rappresentare al meglio la funzione di trasferimento inversa del sistema da controllare. Esperimenti in laboratorio confermano l'efficacia del controllo nella riproduzione di segnali reali e in tipici test di sweep frequenziale.

Influence of time point of calibration on accuracy of continuous glucose monitoring in individuals with type 1 diabetes

Abstract Background and Aims: Data on the influence of calibration on accuracy of continuous glucose monitoring (CGM) are scarce. The aim of the present study was to investigate whether the time point of calibration has an influence on sensor accuracy and whether this effect differs according to glycemic level. Subjects and Methods: Two CGM sensors were inserted simultaneously in the abdomen on either side of 20 individuals with type 1 diabetes. One sensor was calibrated predominantly using preprandial glucose (calibration(PRE)). The other sensor was calibrated predominantly using postprandial glucose (calibration(POST)). At minimum three additional glucose values per day were obtained for analysis of accuracy. Sensor readings were divided into four categories according to the glycemic range of the reference values (low, ≤4 mmol/L; euglycemic, 4.1-7 mmol/L; hyperglycemic I, 7.1-14 mmol/L; and hyperglycemic II, >14 mmol/L). Results: The overall mean±SEM absolute relative difference (MARD) between capillary reference values and sensor readings was 18.3±0.8% for calibration(PRE) and 21.9±1.2% for calibration(POST) (P<0.001). MARD according to glycemic range was 47.4±6.5% (low), 17.4±1.3% (euglycemic), 15.0±0.8% (hyperglycemic I), and 17.7±1.9% (hyperglycemic II) for calibration(PRE) and 67.5±9.5% (low), 24.2±1.8% (euglycemic), 15.5±0.9% (hyperglycemic I), and 15.3±1.9% (hyperglycemic II) for calibration(POST). In the low and euglycemic ranges MARD was significantly lower in calibration(PRE) compared with calibration(POST) (P=0.007 and P<0.001, respectively). Conclusions: Sensor calibration predominantly based on preprandial glucose resulted in a significantly higher overall sensor accuracy compared with a predominantly postprandial calibration. The difference was most pronounced in the hypo- and euglycemic reference range, whereas both calibration patterns were comparable in the hyperglycemic range.

Real-time evaluation of diffusion of the local anesthetic solution during peribulbar block using ultrasound imaging and clinical correlates of diffusion

The aims of this prospective observational study were to assess the incidence of intraconal spread during peribulbar (extraconal) anesthesia by real-time ultrasound imaging of the retro-orbital compartment and to determine whether a complete sensory and motor block (with akinesia) of the eye is directly related to the intraconal spread.

Continuous Formation and Separation of Calcium-Alginate Capsules Containing Viable Mammalian Cells in Microfluidic Devices

Microfluidic devices can be used for many applications, including the formation of well-controlled emulsions. In this study, the capability to continuously create monodisperse droplets in a microfluidic device was used to form calcium-alginate capsules.Calcium-alginate capsules have many potential uses, such as immunoisolation of cells and microencapsulation of active drug ingredients or bitter agents in food or beverage products. The gelation of calcium-alginate capsules is achieved by crosslinking sodiumalginate with calcium ions. Calcium ions dissociated from calcium carbonate due to diffusion of acetic acid from a sunflower oil phase into an aqueous droplet containing sodium-alginate and calcium carbonate. After gelation, the capsules were separated from the continuous oil phase into an aqueous solution for use in biological applications. Typically, capsules are separated bycentrifugation, which can damage both the capsules and the encapsulated material. A passive method achieves separation without exposing the encapsulated material or the capsules to large mechanical forces, thereby preventing damage. To achieve passiveseparation, the use of a microfluidic device with opposing channel wa hydrophobicity was used to stabilize co-laminar flow of im of hydrophobicity is accomplished by defining one length of the channel with a hydrogel. The chosen hydrogel was poly (ethylene glycol) diacrylate, which adheres to the glass surface through the use of self-assembled monolayer of 3-(trichlorosilyl)-propyl methacrylate. Due to the difference in surface energy within the channel, the aqueous stream is stabilized near a hydrogel and the oil stream is stabilized near the thiolene based optical adhesive defining the opposing length of the channel. Passive separation with co-laminar flow has shown success in continuously separating calcium-alginatecapsules from an oil phase into an aqueous phase. In addition to successful formation and separation of calcium alginate capsules,encapsulation of Latex micro-beads and viable mammalian cells has been achieved. The viability of encapsulated mammalian cells was determined using a live/dead stain. The co-laminar flow device has also been demonstrated as a means of separating liquid-liquidemulsions.