Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Charge generation and recombination in hybrid organic,inorganic solar cells

This thesis deals with the investigation of exciton and charge dynamics in hybrid solar cells by time-resolved optical spectroscopy. Quasi-steady-state and transient absorption spectroscopy, as well as time-resolved photoluminescence spectroscopy, were employed to study charge generation and recombination in solid-state organic dye-sensitized solar cells, where the commonly used liquid electrolyte is replaced by an organic solid hole transporter, namely 2,2′7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9′-spirobifluorene (spiro-MeOTAD), and polymer-metal oxide bulk heterojunction solar cells, where the commonly used fullerene acceptor [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) is replaced by zinc oxide (ZnO) nanoparticles. By correlating the spectroscopic results with the photovoltaic performance, efficiency-limiting processes and processes leading to photocurrent generation in the investigated systems are revealed. rnIt is shown that the charge generation from several all-organic donor-π-bridge-acceptor dyes, specifically perylene monoimide derivatives, employed in solid-state dye-sensitized solar cells, is strongly dependent on the presence of a commonly used additive lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide salt (Li-TFSI) at the interface. rnMoreover, it is shown that charges can not only be generated by electron injection from the excited dye into the TiO2 acceptor and subsequent regeneration of the dye cation by the hole transporter, but also by an alternative mechanism, called preceding hole transfer (or reductive quenching). Here, the excited dye is first reduced by the hole transporter and the thereby formed anion subsequently injects an electron into the titania. This additional charge generation process, which is only possible for solid hole transporters, helps to overcome injection problems. rnHowever, a severe disadvantage of solid-state dye-sensitized solar cells is re-vealed by monitoring the transient Stark effect on dye molecules at the inter-face induced by the electric field between electrons and holes. The attraction between the negative image charge present in TiO2, which is induced by the positive charge carrier in the hole transporter due to the dielectric contrast between the organic spiro-MeOTAD and inorganic titania, is sufficient to at-tract the hole back to the interface, thereby increasing recombination and suppressing the extraction of free charges.rnBy investigating the effect of different dye structures and physical properties on charge generation and recombination, design rules and guidelines for the further advancement of solid-state dye-sensitized solar cells are proposed.rnFinally, a spectroscopic study on polymer:ZnO bulk heterojunction hybrid solar cells, employing different surfactants attached to the metal oxide nanoparticles, was performed to understand the effect of surfactants upon photovoltaic behavior. By applying a parallel pool analysis on the transient absorption data, it is shown that suppressing fast recombination while simultaneously maintaining the exciton splitting efficiency by the right choice of surfactants leads to better photovoltaic performances. Suppressing the fast recombination completely, whilst maintaining the exciton splitting, could lead to a doubling of the power conversion efficiency of this type of solar cell.

Ruthenium-based light harvesting complexes

Polypyridylkomplexe von Ruthenium(II) besitzen eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen und als Photokatalysatoren. [Ru(bpy)3]2+ ist einer der prominentesten Ruthenium(II)-Komplexe und besitzt langlebige angeregte 3MLCT-Zustände mit einer Lebensdauer von 1 µs und einer Lumineszenz-Quantenausbeute von 10%. [Ru(bpy)3]2+ ist chiral und kann Stereoisomere bilden, wenn die Liganden unsymmetrisch substituiert sind oder im Falle von oligonuklearen rac/meso-Komplexen. Bis-tridentate Komplexe wie [Ru(tpy)2]2+ sind achiral und umgehen damit unerwünschte Stereoisomere. [Ru(tpy)2]2+ besitzt jedoch enttäuschende photophysikalische Eigenschaften mit einer 3MLCT-Lebensdauer von nur etwa 0.2 ns und einer Quantenausbeute von ≤ 0.0007%. Die Anbringung von Substituenten an [Ru(tpy)2]2+ sowie die Aufweitung der Liganden-Bisswinkel auf 90° bewirken deutlich verbesserte Eigenschaften der emittierenden 3MLCT-Zustände. rnDieser Strategie folgend wurden in der vorliegenden Arbeit neue bis-tridentate Ruthenium(II)-Komplexe entwickelt, synthetisiert und charakterisiert. Durch Anbringen von Ester-Substituenten und Verwenden von Liganden mit erweiterten Bisswinkeln konnten 3MLCT-Lebensdauern von bis zu 841 ns und Quantenausbeuten von bis zu 1.1% erreicht werden. Die neuen bis-tridentaten Komplexe weisen eine deutlich erhöhte Photostabilität im Vergleich zu tris-bidentatem [Ru(bpy)3]2+ auf. rnDie Komplexe wurden als Emitter in Licht-emittierenden elektrochemischen Zellen eingebaut und zeigen Elektrolumineszenz mit einer tiefroten Farbe, die bis ins NIR reicht. Ebenso wurden die Komplexe als Lichtsammler in Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen getestet und erreichen Licht-zu-Energie-Effizienzen von bis zu 0.26%. rnDinukleare, stereochemisch einheitliche Ruthenium(II)-Komplexe wurden oxidiert um die Metall-Metall-Wechselwirkung zwischen Ru(II) und Ru(III) in der einfach oxidierten Spezies zu untersuchen. Die unterschiedlichen Redoxeigenschaften der beiden Rutheniumzentren in den verwendeten dinuklearen Verbindungen führt zu einer valenzlokalisierten Situation in der keine Metall-Metall-Wechselwirkung beobachtet wird. Ebenso wurde die Oxidation eines einkernigen Ruthenium(II)-Komplexes sowie dessen spontane Rückreduktion untersucht.rnEnergietransfersysteme wurden mittels Festphasensynthese hergestellt. Dabei ist ein Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplex als Energie-Akzeptor über eine unterschiedliche Anzahl an Glycineinheiten mit einem Cumarin-Chromophor als Energie-Donor verknüpft. Bei einer kleinen Zahl an Glycineinheiten (0, 1) findet effektiver Energietransfer vom Cumarin- zum Ruthenium-Chromophor statt, wogegen bei zwei Glycineinheiten ein effektiver Energietransfer verhindert ist.rnLicht-induzierte Ladungstrennung wurde erreicht, indem Bis(terpyridin)ruthenium(II)-Komplexe als Chromophore in einem Donor-Chromophor-Akzeptor-Nanokomposit eingesetzt wurden. Dabei wurde ein Triphenylamin-enthaltendes Blockcopolymer als Elektronendonor und ZnO-Nanostäbchen als Elektronenakzeptor verwendet. Bei Bestrahlung des Chromophors werden Elektronen in die ZnO-Nanostäbchen injiziert und die Elektronenlöcher wandern in das Triphenylamin-enthaltende Blockcopolymer. rnrn

Lichtsammler hinter Glas : Stabilisierung und Funktionalisierung des pflanzlichen Hauptlichtsammelkomplexes (LHCII) durch biomineralische Einbettung in Nanopartikel

Der Haupt-Lichtsammelkomplex des Fotosystems II (LHCII) setzt sich aus einem Proteinanteil und nicht-kovalent gebundenen Pigmenten – 8 Chlorophyll a, 6 Chlorophyll b und 4 Carotinoide - zusammen. Er assembliert in vivo zu einem Trimer, in dem die Monomereinheiten ebenfalls nicht-kovalent miteinander wechselwirken. Die ausgesprochen hohe Farbstoffdichte und die Tatsache, dass der Komplex rekombinant hergestellt werden kann, machen den LHCII zu einem interessanten Kandidaten für technische Anwendungen wie einer Farbstoffsolarzelle. Allerdings muss hierzu seine thermische Stabilität drastisch erhöht werden.rnDer Einschluss von Proteinen/Enzymen in Silikat erhöht deren Stabilität gegenüber Hitze signifikant. LHCII sollte als erster rekombinanter Membranproteinkomplex mittels kovalent verbundener, polykationischen Sequenzen in Silikat eingeschlossen werden. Hierzu wurde der Komplex auf zwei Weisen polykationisch modifiziert: Auf Genebene wurde die Sequenz des R5-Peptids in den N-terminalen Bereich des LHCP-Gens eingeführt und ein Protokoll zur Überexpression, Rekonstitution und Trimerisierung etabliert. Außerdem wurde eine kovalente Modifikation des trimeren LHCII mit dem Arginin-reichen Protamin über heterobifunktionelle Crosslinker entwickelt. Beide resultierenden LHCII-Derivate waren in der Lage, Silikat autogen zu fällen. Die Stabilisierung der so in Silikat präzipitierten Komplexe war jedoch deutlich geringer als bei nicht-modifizierten Komplexen, die durch eine Spermin-induzierte Copräzipitation eingeschlossenen wurden. Dabei zeigte sich, dass für den Anteil der eingebauten Komplexe und das Ausmaß an Stabilisierung die Größe und klare partikuläre Struktur des Silikats entscheidend ist. Kleine Partikel mit einem Durchmesser von etwa 20 nm führten zu einem Einbau von rund 75 % der Komplexe, und mehr als 80 % des Energietransfers innerhalb des Komplexes blieben erhalten, wenn für 24 Stunden bei 50°C inkubiert wurde. Nicht in Silikat eingeschlossene Komplexe verloren bei 50°C ihren Komplex-internen Energietransfer binnen weniger Minuten. Es war dabei unerheblich, ob die Partikelgröße durch die Wahl des Puffers und des entsprechenden pH-Wertes, oder aber durch Variation des Spermin-zu-Kieselsäure-Verhältnisses erreicht wurde. Wurden die polykationisch veränderten Komplexe in solchen Copräzipitationen verwendet, so erhöhte sich der Anteil an eingebauten Komplexen auf über 90 %, jedoch wurde nur bei der R5-modifizierten Variante vergleichbare Ausmaße an Stabilisierung erreicht. Ein noch höherer Anteil an Komplexen wurde in das Silikatpellet eingebaut, wenn LHCII kovalent mit Silanolgruppen modifiziert wurde (95 %); jedoch war das Ausmaß der Stabilisierung wiederum geringer als bei einer Copräzipitation. Die analysierten Fällungssysteme waren außerdem in der Lage, Titandioxid zu fällen, wobei der Komplex in dieses eingebaut wurde. Allerdings muss das Stabilisierungspotential hier noch untersucht werden. Innerhalb eines Silikatpräzipitats aggregierten die Komplexe nicht, zeigten aber einen inter-trimeren Energietransfer, der sehr wahrscheinlich auf einem Förster Resonanz Mechanismus basiert. rnDies und das hohe Maß an Stabilisierung eröffnen neue Möglichkeiten, rekombinanten LHCII in technischen Applikationen als Lichtsammelkomponente zu verwenden.rn

Structural characterization of intermediate and metastable phases by electron microscopy

Structure characterization of nanocrystalline intermediates and metastable phases is of primary importance for a deep understanding of synthetic processes undergoing solid-to-solid state phase transitions. Understanding the evolution from the first nucleation stage to the final synthetic product supports not only the optimization of existing processes, but might assist in tailoring new synthetic paths. A systematic investigation of intermediates and metastable phases is hampered because it is impossible to produce large crystals and only in few cases a pure synthetic product can be obtained. Structure investigation by X-ray powder diffraction methods is still challenging on nanoscale, especially when the sample is polyphasic. Electron diffraction has the advantage to collect data from single nanoscopic crystals, but is limited by data incompleteness, dynamical effects and fast deterioration of the sample under the electron beam. Automated diffraction tomography (ADT), a recently developed technique, making possible to collect more complete three-dimensional electron diffraction data and to reduce at the same time dynamical scattering and beam damage, thus allowing to investigate even beam sensitive materials (f.e. hydrated phases and organics). At present, ADT is the only technique able to deliver complete three-dimensional structural information from single nanoscopic grains, independently from other surrounding phases. Thus, ADT is an ideal technique for the study of on-going processes where different phases exist at the same time and undergo several structural transitions. In this study ADT was used as the main technique for structural characterization for three different systems and combined subsequently with other techniques, among which high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), cryo-TEM imaging, X-ray powder diffraction (XRPD) and energy disperse X-ray spectroscopy (EDX).rnAs possible laser host materials, i.e. materials with a broad band emission in the near-infrared region, two unknown phases were investigated in the ternary oxide system M2O-Al2O3-WO3 (M = K, Na). Both phases exhibit low purity as well as non-homogeneous size distribution and particle morphology. The structures solved by ADT are also affected by pseudo-symmetry. rnSodium titanate nanotubes and nanowires are both intermediate products in the synthesis of TiO2 nanorods which are used as additives to colloidal TiO2 film for improving efficiency of dye-sensitized solar cells (DSSC). The structural transition from nantubes to nanowires was investigated in a step by step time-resolved study. Nanowires were discovered to consist of a hitherto unknown phase of sodium titanate. This new phase, typically affected by pervasive defects like mutual layer shift, was structurally determined ab-initio on the basis of ADT data. rnThe third system is related with calcium carbonate nucleation and early crystallization. The first part of this study is dedicated to the extensive investigations of calcium carbonate formation in a step by step analysis, up to the appearance of crystalline individua. The second part is dedicated to the structure determination by ADT of the first-to-form anhydrated phase of CaCO3: vaterite. An exhaustive structure analysis of vaterite had previously been hampered by diffuse scattering, extra periodicities and fast deterioration of the material under electron irradiation. rn

Drug antigenicity, immunogenicity, and costimulatory signaling: evidence for formation of a functional antigen through immune cell metabolism

Recognition of drugs by immune cells is usually explained by the hapten model, which states that endogenous metabolites bind irreversibly to protein to stimulate immune cells. Synthetic metabolites interact directly with protein-generating antigenic determinants for T cells; however, experimental evidence relating intracellular metabolism in immune cells and the generation of physiologically relevant Ags to functional immune responses is lacking. The aim of this study was to develop an integrated approach using animal and human experimental systems to characterize sulfamethoxazole (SMX) metabolism-derived antigenic protein adduct formation in immune cells and define the relationship among adduct formation, cell death, costimulatory signaling, and stimulation of a T cell response. Formation of SMX-derived adducts in APCs was dose and time dependent, detectable at nontoxic concentrations, and dependent on drug-metabolizing enzyme activity. Adduct formation above a threshold induced necrotic cell death, dendritic cell costimulatory molecule expression, and cytokine secretion. APCs cultured with SMX for 16 h, the time needed for drug metabolism, stimulated T cells from sensitized mice and lymphocytes and T cell clones from allergic patients. Enzyme inhibition decreased SMX-derived protein adduct formation and the T cell response. Dendritic cells cultured with SMX and adoptively transferred to recipient mice initiated an immune response; however, T cells were stimulated with adducts derived from SMX metabolism in APCs, not the parent drug. This study shows that APCs metabolize SMX; subsequent protein binding generates a functional T cell Ag. Adduct formation above a threshold stimulates cell death, which provides a maturation signal for dendritic cells.

Role of complement and Fc{gamma} receptors in the protective activity of the long pentraxin PTX3 against Aspergillus fumigatus

Pentraxin 3 (PTX3) is a soluble pattern recognition molecule playing a nonredundant role in resistance against Aspergillus fumigatus. The present study was designed to investigate the molecular pathways involved in the opsonic activity of PTX3. The PTX3 N-terminal domain was responsible for conidia recognition, but the full-length molecule was necessary for opsonic activity. The PTX3-dependent pathway of enhanced neutrophil phagocytic activity involved complement activation via the alternative pathway; Fc receptor (Fc R) IIA/CD32 recognition of PTX3-sensitized conidia and complement receptor 3 (CR3) activation; and CR3 and CD32 localization to the phagocytic cup. Gene targeted mice (ptx3, FcR common chain, C3, C1q) validated the in vivo relevance of the pathway. In particular, the protective activity of exogenous PTX3 against A fumigatus was abolished in FcR common chain-deficient mice. Thus, the opsonic and antifungal activity of PTX3 is at the crossroad between complement, complement receptor 3-, and Fc R-mediated recognition. Because short pentraxins (eg, C-reactive protein) interact with complement and Fc R, the present results may have general significance for the mode of action of these components of the humoral arm of innate immunity.

Thiazolide-induced apoptosis in colorectal cancer cells is mediated via the Jun kinase-Bim axis and reveals glutathione-S-transferase P1 as Achilles' heel

Glutathione-S-transferase of the Pi class (GSTP1) is frequently overexpressed in a variety of solid tumors and has been identified as a potential therapeutic target for cancer therapy. GSTP1 is a phase II detoxification enzyme and conjugates the tripeptide glutathione to endogenous metabolites and xenobiotics, thereby limiting the efficacy of antitumor chemotherapeutic treatments. In addition, GSTP1 regulates cellular stress responses and apoptosis by sequestering and inactivating c-Jun N-terminal kinase (JNK). Thiazolides are a novel class of antibiotics for the treatment of intestinal pathogens with no apparent side effects on the host cells and tissue. Here we show that thiazolides induce a GSTP1-dependent and glutathione-enhanced cell death in colorectal tumor cell lines. Downregulation of GSTP1 reduced the apoptotic activity of thiazolides, whereas overexpression enhanced it. Thiazolide treatment caused strong Jun kinase activation and Jun kinase-dependent apoptosis. As a critical downstream target of Jun kinase we identified the pro-apoptotic Bcl-2 homolog Bim. Thiazolides induced Bim expression and activation in a JNK-dependent manner. Downregulation of Bim in turn significantly blocked thiazolide-induced apoptosis. Whereas low concentrations of thiazolides failed to induce apoptosis directly, they potently sensitized colon cancer cells to TNF-related apoptosis-inducing ligand- and chemotherapeutic drug-induced cell death. Although GSTP1 overexpression generally limits chemotherapy and thus antitumor treatment, our study identifies GSTP1 as Achilles' heel and thiazolides as novel interesting apoptosis sensitizer for the treatment of colorectal tumors.

High-throughput mutation profiling of CTCL samples reveals KRAS and NRAS mutations sensitizing tumors toward inhibition of the RAS/RAF/MEK signaling cascade

Cutaneous T-cell lymphomas (CTCLs) are malignancies of skin-homing lymphoid cells, which have so far not been investigated thoroughly for common oncogenic mutations. We screened 90 biopsy specimens from CTCL patients (41 mycosis fungoides, 36 Sézary syndrome, and 13 non-mycosis fungoides/Sézary syndrome CTCL) for somatic mutations using OncoMap technology. We detected oncogenic mutations for the RAS pathway in 4 of 90 samples. One mycosis fungoides and one pleomorphic CTCL harbored a KRAS(G13D) mutation; one Sézary syndrome and one CD30(+) CTCL harbored a NRAS(Q61K) amino acid change. All mutations were found in stage IV patients (4 of 42) who showed significantly decreased overall survival compared with stage IV patients without mutations (P = .04). In addition, we detected a NRAS(Q61K) mutation in the CTCL cell line Hut78. Knockdown of NRAS by siRNA induced apoptosis in mutant Hut78 cells but not in CTCL cell lines lacking RAS mutations. The NRAS(Q61K) mutation sensitized Hut78 cells toward growth inhibition by the MEK inhibitors U0126, AZD6244, and PD0325901. Furthermore, we found that MEK inhibitors exclusively induce apoptosis in Hut78 cells. Taken together, we conclude that RAS mutations are rare events at a late stage of CTCL, and our preclinical results suggest that such late-stage patients profit from MEK inhibitors.

Selective cloning, characterization, and production of the Culicoides nubeculosus salivary gland allergen repertoire associated with equine insect bite hypersensitivity

Salivary gland proteins of Culicoides spp. have been suggested to be among the main allergens inducing IgE-mediated insect bite hypersensitivity (IBH), an allergic dermatitis of the horse. The aim of our study was to identify, produce and characterize IgE-binding salivary gland proteins of Culicoides nubeculosus relevant for IBH by phage surface display technology. A cDNA library constructed with mRNA derived from C. nubeculosus salivary glands was displayed on the surface of filamentous phage M13 and enriched for clones binding serum IgE of IBH-affected horses. Ten cDNA inserts encoding putative salivary gland allergens were isolated and termed Cul n 2 to Cul n 11. However, nine cDNA sequences coded for truncated proteins as determined by database searches. The cDNA sequences were amplified by PCR, subcloned into high level expression vectors and expressed as hexahistidine-tagged fusion proteins in Escherichia coli. Preliminary ELISA results obtained with these fusions confirmed the specific binding to serum IgE of affected horses. Therefore, the putative complete open reading frames derived from BLAST analyses were isolated by RACE-PCR and subcloned into expression vectors. The full length proteins expressed in Escherichia coli showed molecular masses in the range of 15.5-68.7 kDa in SDS-PAGE in good agreement with the masses calculated from the predicted protein sequences. Western blot analyses of all recombinant allergens with a serum pool of IBH-affected horses showed their ability to specifically bind serum IgE of sensitized horses, and ELISA determinations yielded individual horse recognition patterns with a frequency of sensitization ranging from 13 to 57%, depending on the allergen tested. The in vivo relevance of eight of the recombinant allergens was demonstrated in intradermal skin testing. For the two characterized allergens Cul n 6 and Cul n 11, sensitized horses were not available for intradermal tests. Control horses without clinical signs of IBH did not develop any relevant immediate hypersensitivity reactions to the recombinant allergens. The major contribution of this study was to provide a repertoire of recombinant salivary gland allergens repertoire from C. nubeculosus potentially involved in the pathogenesis of IBH as a starting basis for the development of a component-resolved serologic diagnosis of IBH and, perhaps, for the development of single horse tailored specific immunotherapy depending on their component-resolved sensitization patterns.

RNA interference screening identifies a novel role for autocrine fibroblast growth factor signaling in neuroblastoma chemoresistance

Chemotherapeutic drug resistance is one of the major causes for treatment failure in high-risk neuroblastoma (NB), the most common extra cranial solid tumor in children. Poor prognosis is typically associated with MYCN amplification. Here, we utilized a loss-of-function kinome-wide RNA interference screen to identify genes that cause cisplatin sensitization. We identified fibroblast growth factor receptor 2 (FGFR2) as an important determinant of cisplatin resistance. Pharmacological inhibition of FGFR2 confirmed the importance of this kinase in NB chemoresistance. Silencing of FGFR2 sensitized NB cells to cisplatin-induced apoptosis, which was regulated by the downregulation of the anti-apoptotic proteins BCL2 and BCLX(L). Mechanistically, FGFR2 was shown to activate protein kinase C-δ to induce BCL2 expression. FGFR2, as well as the ligand fibroblast growth factor-2, were consistently expressed in primary NB and NB cell lines, indicating the presence of an autocrine loop. Expression analysis revealed that FGFR2 correlates with MYCN amplification and with advanced stage disease, demonstrating the clinical relevance of FGFR2 in NB. These findings suggest a novel role for FGFR2 in chemoresistance and provide a rational to combine pharmacological inhibitors against FGFR2 with chemotherapeutic agents for the treatment of NB.Oncogene advance online publication, 1 October 2012; doi:10.1038/onc.2012.416.

Does pet ownership in infancy lead to asthma or allergy at school age? Pooled analysis of individual participant data from 11 European birth cohorts

Objective To examine the associations between pet keeping in early childhood and asthma and allergies in children aged 6–10 years. Design Pooled analysis of individual participant data of 11 prospective European birth cohorts that recruited a total of over 22,000 children in the 1990s. Exposure definition Ownership of only cats, dogs, birds, rodents, or cats/dogs combined during the first 2 years of life. Outcome definition Current asthma (primary outcome), allergic asthma, allergic rhinitis and allergic sensitization during 6–10 years of age. Data synthesis Three-step approach: (i) Common definition of outcome and exposure variables across cohorts; (ii) calculation of adjusted effect estimates for each cohort; (iii) pooling of effect estimates by using random effects meta-analysis models. Results We found no association between furry and feathered pet keeping early in life and asthma in school age. For example, the odds ratio for asthma comparing cat ownership with “no pets” (10 studies, 11489 participants) was 1.00 (95% confidence interval 0.78 to 1.28) (I2 = 9%; p = 0.36). The odds ratio for asthma comparing dog ownership with “no pets” (9 studies, 11433 participants) was 0.77 (0.58 to 1.03) (I2 = 0%, p = 0.89). Owning both cat(s) and dog(s) compared to “no pets” resulted in an odds ratio of 1.04 (0.59 to 1.84) (I2 = 33%, p = 0.18). Similarly, for allergic asthma and for allergic rhinitis we did not find associations regarding any type of pet ownership early in life. However, we found some evidence for an association between ownership of furry pets during the first 2 years of life and reduced likelihood of becoming sensitized to aero-allergens. Conclusions Pet ownership in early life did not appear to either increase or reduce the risk of asthma or allergic rhinitis symptoms in children aged 6–10. Advice from health care practitioners to avoid or to specifically acquire pets for primary prevention of asthma or allergic rhinitis in children should not be given.

Intraperitoneal Echinococcus multilocularis infection in C57BL/6 mice affects CD40 and B7 costimulator expression on peritoneal macrophages and impairs peritoneal T cell activation

One of the most important immunopathological consequence of intraperitoneal alveolar echinococcosis (AE) in the mouse is suppression of T cell-mediated immune responses. We investigated whether and how intraperitoneal macrophages (MØs) are, respectively, implicated as antigen-presenting cells (APCs). In a first step we showed that peritoneal MØs from infected mice (AE-MØs) exhibited a reduced ability to present a conventional antigen (chicken ovalbumin, C-Ova) to specific responder lymph node T cells. In a subsequent step, AE-MØs as well as naïve MØs (positive control) proved their ability to uptake and process C-Ova fluorescein isthiocyanate (FITC). Furthermore, in comparison with naïve MØs, the surface expression of Ia molecules was up-regulated on AE-MØs at the early stage of infection, suggesting that AE-MØs provide the first signal via the antigen-Ia complex. To study the accessory activity of MØs, AE-MØs obtained at the early and late stages of infection were found to decrease Con A-induced proliferation of peritoneal naïve T cells as well as of AE-sensitized peritoneal T cells, in contrast to stimulation with naïve MØs. The status of accessory molecules was assessed by analysing the expression level of costimulatory molecules on AE-MØs, with naïve MØs as controls. It was found that B7-1 (CD80) and B7-2 (CD86) expression remained unchanged, whereas CD40 was down-regulated and CD54 (= ICAM-1) was slightly up-regulated. In a leucocyte reaction of AE-MØs with naïve or AE-T cells, both types of T cells increased their proliferative response when CD28 - the ligand of B7 receptors - was exposed to anti-CD28 in cultures. Conversely to naïve MØs, pulsing of AE-MØs with agonistic anti-CD40 did not even partially restore their costimulatory activity and failed to increase naïve or AE-T cell proliferation. Neutralizing anti-B7-1, in combination with anti-B7-2, reduced naïve and AE-T cell proliferation, whereas anti-CD40 treatment of naïve MØs increased their proliferative response to Con A. These results point at the key role of B7 receptors as accessory molecules and the necessity of the integrity of CD40-expression by naïve MØs to improve their accessory activity. Taken together, the obstructed presenting-activity of AE-MØs appeared to trigger an unresponsiveness of T cells, contributing to the suppression of their clonal expansion during the chronic phase of AE-infection.

Calpain-mediated cleavage of Atg5 switches autophagy to apoptosis

Autophagy-related gene (Atg) 5 is a gene product required for the formation of autophagosomes. Here, we report that Atg5, in addition to the promotion of autophagy, enhances susceptibility towards apoptotic stimuli. Enforced expression of Atg5-sensitized tumour cells to anticancer drug treatment both in vitro and in vivo. In contrast, silencing the Atg5 gene with short interfering RNA (siRNA) resulted in partial resistance to chemotherapy. Apoptosis was associated with calpain-mediated Atg5 cleavage, resulting in an amino-terminal cleavage product with a relative molecular mass of 24,000 (Mr 24K). Atg5 cleavage was observed independent of the cell type and the apoptotic stimulus, suggesting that calpain activation and Atg5 cleavage are general phenomena in apoptotic cells. Truncated Atg5 translocated from the cytosol to mitochondria, associated with the anti-apoptotic molecule Bcl-xL and triggered cytochrome c release and caspase activation. Taken together, calpain-mediated Atg5 cleavage provokes apoptotic cell death, therefore, represents a molecular link between autophagy and apoptosis--a finding with potential importance for clinical anticancer therapies.