Roman aqueducts and calcareous sinter deposits as a proxy for environmental changes

Die im Süden der Türkei gelegen, antiken Städte Aspendos und Patara, waren in der Römerzeit zwei bedeutende Handelszentren mit hoher Bevölkerungsdichte. Aquädukte versorgten beide Städte mit carbonathaltigem Wasser, wobei sich Kalksinter (Calciumcarbonat) in der Kanalrinne ablagerte. Dabei lagern sich im Wechsel eine hellere und dunklere Kalksinterlage ab, die als Sinterpaar bezeichnet wird. Um die Entstehung dieser Sinterpaare besser zu verstehen, und die beteiligten Prozesse mit saisonalen Veränderungen der Umwelt zu korrelieren, werden in der vorliegenden Arbeit laminierten Sinterablagerungen mit geochemischen und petrographischen Methoden untersucht.rnEntlang der Kanalrinne beider Aquädukte wurden an mehreren Stellen Proben entnommen. Es wurde untersucht in wieweit sich die Sinterstruktur aufgrund von Änderungen in der Neigung des Wasserkanals oder des Kanaltyps ändert. Um die Kristallform und die kristallografische Orientierung der Kristalle innerhalb der verschiedenen Sinterpaare zu untersuchen, wurden die entnommenen laminierten Kalksinterablagerungen mit Hilfe optischer Mikroskopie und EBSD (Electron Backscatter Diffraction) analysiert. Der Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA) wurde verwendet, um saisonale Schwankungen der Hauptelementverteilung und den Anteil der stabilen Isotope im Wasser zu bestimmen. Die LA-ICP-MS (Laser Ablation-induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektrometrie) Spurenelementanalyse wurde durchgeführt, um kleinste Schwankungen der Spurenelemente zu finden. Basierend auf diesen Analysen wurde festgestellt, dass laminierten Kalksinterablagerungen laterale Änderungen in der Aquäduktstruktur und -neigung, jahreszeitliche Änderungen der Wasserchemie, der Temperatur sowie der Entgasungsrate während eines Jahres widerspiegeln. Die Kalksinterablagerungen zeigen eine deutliche Laminierung in Form von feinkörnig-porösen und grobkörnig-dichten Schichten, die trockene und nasse Jahreszeiten anzeigen. Feinkörnige Schichten zeigen eine hohe Epifluoreszenz aufgrund reichhaltiger organischer Inhalte, die vermutlich eine Folge der bakteriellen Aktivität während der warmen und trockenen Jahreszeit sind. Stabile Sauerstoff und Kohlenstoff-Isotop-Kurven entsprechen auch den jahreszeitlichen Schwankungen der verschiedenen Schichtenpaare. Vor allem δ 18O spiegelt jährliche Veränderungen in der Temperatur und jahreszeitliche Veränderungen des Abflusses wieder. Das wichtigste Ergebnis ist, dass die Periodizität von δ 18O durch Erwärmen des Wassers im Wasserkanal und nicht durch die Verdunstung oder der Brunnenwasser-Charakteristik verursacht wird. Die Periodizität von δ 13C ist komplexer Natur, vor allem zeigen δ 18O und δ 13C eine Antikorrelation entlang der Lamellenpaare. Dies wird wohl vor allem durch Entgasungsprozesse im Aquädukt verursacht. Die Ergebnisse der Spurenelemente sind meist inkonsistent und zeigen keine signifikanten Veränderungen in den verschiedenen Lamellenpaaren. Die Isotope Mg, Sr und Ba zeigen hingegen bei einigen Proben eine positive Korrelation und erreichen Höchstwerte innerhalb feinkörnig-poröser Schichten. Auch sind die Hauptelementwerte von Fe, K, Si und anderer detritischer Elemente innerhalb der feinkörnige-porösen Schichten maximal. Eine genaue Datierung der Kalksinterablagerungen ist wünschenswert, da der Zeitraum, in dem die Aquädukte aktiv waren, bereits archäologisch auf 200-300 Jahre festgelegt wurde. Paläomagnetische und 14C-Datierung geben keine brauchbare Ergebnisse. Die U/Th Isotopie wird durch eine hohe Anfangskonzentration von Th in den Proben behindert. Trotz dieser Schwierigkeiten war eine U/Th Datierung an einem Testbeispiel des Béziers Aquädukt erfolgreich. Mit Hilfe von analogen Untersuchungen an aktiven Wasserkanälen der heutigen Zeit, werden die Ablagerungsmechanismen und die geochemische Entwicklung der laminierten Sinterschichten besser verstanden. Ein weiteres laufendes Projekt dieser Doktorarbeit ist die Überwachung von Sinterabscheidungen und der saisonale Zusammensetzung des Wassers an einigen heute noch aktiven Aquädukten. Das Ziel ist die Untersuchung der jetzigen Calciumcarbonatabscheidungen in Aquäduktkanälen unter den heutigen Umgebungsbedingungen. Erste Ergebnisse zeigen, dass kleine regelmäßige jahreszeitliche Veränderungen in der Isotopenzusammensetzung des Wassers vorliegen, und dass die beobachtete Periodizität der stabilen Isotope aufgrund von Änderungen im eigentlichen Kanal entstanden ist. Die Untersuchung von Kalksinterablagerungen in römischen Aquädukten liefern vielversprechende Ergebnisse, für die Untersuchung des Paläöklimas, der Archaeoseismologie und anderer Umweltbedingungen in der Römerzeit. Diese Studie beschränkt sich auf zwei Aquädukte. Die Untersuchungen weiterer Aquädukte und einer Überwachung, der noch in Betrieb stehenden Aquädukte werden genauere Ergebnisse liefern.

Signalling mechanisms affecting regulated neurotrophin secretion in hippocampal neurons

Die Neurotrophine aus Säugetiere BDNF und NT-3 sind von Neuronen sekretierte Wachstumsfaktoren. Ferner sind Neurotrophine in verschiedene Formen der aktivitätsabhängigen synaptische Plastizität involviert. Obwohl die Ausschüttung von Neurotrophine aus Synapsen beschrieben worden ist, sind die intrazellulären Signalkaskaden, die die synaptische Ausschüttung von Neurotrophine regulieren, bei weitem nicht verstanden. Deswegen ist die Analyse der Sekretion von Neurotrophine auf subzellulärer Ebene erforderlich, um die genaue Rolle von präsynaptische und postsynaptische NT-Sekretion in der synaptischen Plastizität aufzudecken. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kulturen von dissoziierten hippocampalen Neuronen aus Ratten mit grün fluoreszierenden Protein-markierten Konstrukten von BDNF und NT-3 transfiziert und Neurotrophine-enthaltenden Vesikeln durch die Colokalisierung mit dem cotransfizierten postsynaptischen Marker PSD-95-DsRed an glutamatergen Synapsen identifiziert. Depolarisationsinduzierte Sekretion von BDNF und NT-3 wurde per Direktaufnahme am Fluoreszenzmikroskop beobachtet. Die unvermittelte postsynaptische Depolarisation mit erhöhtem Kalium, in Gegenwart von Inhibitoren der synaptischen Transmission, erlaubte die Untersuchung der Signalwege, die am postsynaptischen Sekretionsprozess der Neurotrophinvesikel beteiligt sind. Es konnte gezeigt werden, dass die depolarisationsinduzierte postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine durch Calcium-Einstrom ausgelöst wird, entweder über L-Typ-spannungsabhängige Calcium-Kanäle oder über NMDA-Rezeptoren. Eine anschließende Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern über Ryanodin-Rezeptoren ist für den Sekretionsprozess erforderlich. Die postsynaptische Neurotrophinausschüttung wird durch KN-62 und KN-93 gehemmt, was auf eine unmittelbare Abhängigkeit von aktiver alpha-Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaMKII) hinweist. Der Inhibitor der cAMP/Proteinkinase A (PKA), Rp-cAMP-S, sowie der NO-Donor, SNP, minderten die Neurotrophinausschüttung. Hingegen blieben die Erhöhung des intrazellulären cAMP und der NO-Synthase-Inhibitor L-NMMA ohne Wirkung. Mit dem Trk-Inhibitor K252a konnte gezeigt werden, dass autokrine Neurotrophin-induzierte Neurotrophinausschüttung nicht an der synaptischen Freisetzung der Neurotrophine beiträgt und, dass BDNF seine eigene postsynaptische Sekretion nicht auslöst. Freisetzungsexperimente mit dem Fluoreszenz-Quencher Bromphenolblau konnten den Nachweis erbringen, dass asynchrone und anhaltende Fusionsporenöffnung von Neurotrophinvesikeln während der Sekretion stattfindet. Wegen der im Vergleich zum komplexen Sekretionsprozess schnellen Fusionsporenöffnung, scheint die Freisetzungsgeschwindigkeit von Neurotrophine durch ihre Diffusion aus dem Vesikel begrenzt. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse eine starke Abhängigkeit der aktivitätsabhängigen postsynaptischen Neurotrophinausschüttung vom Calcium-Einstrom, von der Freisetzung von Calcium aus internen Speichern, von der Aktivierung der CaMKII und einem intakten Funktion der PKA, während der Trk-Signalweg, die Aktivierung von Natrium-Kanäle und NO-Signale nicht erforderlich sind.

Coded slotted aloha with multipacket reception over block fading channels (for satellite networks)

Random access (RA) protocols are normally used in a satellite networks for initial terminal access and are particularly effective since no coordination is required. On the other hand, contention resolution diversity slotted Aloha (CRDSA), irregular repetition slotted Aloha (IRSA) and coded slotted Aloha (CSA) has shown to be more efficient than classic RA schemes as slotted Aloha, and can be exploited also when short packets transmissions are done over a shared medium. In particular, they relies on burst repetition and on successive interference cancellation (SIC) applied at the receiver. The SIC process can be well described using a bipartite graph representation and exploiting tools used for analyze iterative decoding. The scope of my Master Thesis has been to described the performance of such RA protocols when the Rayleigh fading is taken into account. In this context, each user has the ability to correctly decode a packet also in presence of collision and when SIC is considered this may result in multi-packet reception. Analysis of the SIC procedure under Rayleigh fading has been analytically derived for the asymptotic case (infinite frame length), helping the analysis of both throughput and packet loss rates. An upper bound of the achievable performance has been analytically obtained. It can be show that in particular channel conditions the throughput of the system can be greater than one packets per slot which is the theoretical limit of the Collision Channel case.

Chronic impact of topiramate on acid-base balance and potassium in childhood

Topiramate, which is commonly prescribed for seizure disorders and migraine prophylaxis, sometimes causes metabolic acidosis and hypokalemia. Since the effects of topiramate on acid-base balance and potassium levels have not been well explored in children, acid-base balance, anion gap and potassium were assessed in 24 patients (8 females and 16 males) aged between 4.6 and 19 years on topiramate for more than 12 months and in an age-matched control group. Plasma bicarbonate (21.7 versus 23.4 mmol/L; P<0.03), carbon dioxide pressure (39.7 versus 43.2mm Hg; P<0.05), and potassium (3.7 versus 4.0 mmol/L; P<0.03) were on the average lower and chloride (109 versus 107 mmol/L; P<0.03) higher in patients treated with topiramate than in controls. Blood pH, plasma sodium and the anion gap were similar in patients on topiramate and in controls. In patients on topiramate no significant correlation was observed between the dosage of this agent and plasma bicarbonate or potassium as well as between topiramate blood level and the mentioned electrolytes. In conclusion long-term topiramate treatment is associated with a mild, statistically significant tendency towards compensated normal anion gap metabolic acidosis and hypokalemia.

Ubiquitylation and SUMOylation of Cardiac Ion Channels

Cardiac ion channels play an essential role in the generation of the action potential of cardiomyocytes. Over the past 15 years, a new field of research called channelopathies has emerged; it regroups all diseases caused by ion channel dysfunction. Investigators have largely determined the physiological roles of cardiac ion channels, but little is known about the molecular determinants of their regulation. Two post-translational mechanisms that are crucial in determining the fate of proteins are ubiquitylation and the SUMOylation pathways, which lead to the degradation and/or regulation of modified proteins. Recently, several groups have investigated the physiological impacts of these mechanisms on the regulation of different classes of cardiac ion channels. The objective of this review is to summarize and briefly discuss these results.

Suicidal knife wound to the heart: challenges in reconstructing wound channels with post mortem CT and CT-angiography

We present a case of an individual who stabbed himself through the heart with a large knife. Post mortem computed tomography (CT) and CT-angiography were used to assess the stab channel and to reconstruct the sequence of events. After penetrating injuries to the chest, both the intra-thoracic organs and the injury causing instrument may shift (e.g. from pnemothorax) and render forensic reconstructions more challenging. This case report illustrates the potentials and the pitfalls of CT for the reconstruction of penetrating injures to the chest.

Channels and transporters. Mini-symposium of the Division of Medicinal Chemistry (DMC) of the Swiss Chemical Society (SCS) at the Department of Chemistry, University of Basel, May 27, 2010

During a half-day symposium, the topic 'Channels and Transporters' was covered with five lectures, including a presentation on 'Introduction and Basics of Channels and Transporters' by Beat Ernst, lectures on structure, function and physiology of channels and transporters ('The Structural Basis for Ion Conduction and Gating in Pentameric Ligand-Gated Ion Channels' by Raimund Dutzler and 'Uptake and Efflux Transporters for Endogenous Substances and for Drugs' by Dietrich Keppler), and a case study lecture on 'Avosentan' by Werner Neidhart. The program was completed by Matthias Hediger who introduced to the audience the National Center of Competence in Research (NCCR)-TransCure in his lecture entitled 'From Transport Physiology to Identification of Therapeutic Targets'.

Monepantel allosterically activates DEG-3/DES-2 channels of the gastrointestinal nematode Haemonchus contortus

Monepantel is the first drug of a new family of anthelmintics, the amino acetonitrile derivatives (AAD), presently used to treat ruminants infected with gastrointestinal nematodes such as Haemonchus contortus. Monepantel shows an excellent tolerability in mammals and is active against multidrug-resistant parasites, indicating that its molecular target is absent or inaccessible in the host and is different from those of the classic anthelmintics. Genetic approaches with mutant nematodes have suggested acetylcholine receptors of the DEG-3 subfamily as the targets of AADs, an enigmatic clade of ligand-gated ion channels that is specific to nematodes and does not occur in mammals. Here we demonstrate direct interaction of monepantel, its major active metabolite monepantel sulfone, and other AADs with potential targets of the DEG-3 subfamily of acetylcholine receptors. H. contortus DEG-3/DES-2 receptors were functionally expressed in Xenopus laevis oocytes and were found to be preferentially activated by choline, to permeate monovalent cations, and to a smaller extent, calcium ions. Although monepantel and monepantel sulfone did not activate the channels by themselves, they substantially enhanced the late currents after activation of the channels with choline, indicating that these AADs are type II positive allosteric modulators of H. contortus DEG-3/DES-2 channels. It is noteworthy that the R-enantiomer of monepantel, which is inactive as an anthelmintic, inhibited the late currents after stimulation of H. contortus DEG-3/DES-2 receptors with choline. In summary, we present the first direct evidence for interaction of AADs with DEG-3-type acetylcholine receptors and discuss these findings in the context of anthelmintic action of AADs.

Acid-sensing channels in human bladder: expression, function and alterations during bladder pain syndrome

We examined the possible role of H(+) activated acid-sensing ion channels in pain perception. We characterized expression in bladder dome biopsies from patients with bladder pain syndrome and controls, in cultured human urothelium and in urothelial TEU-2 cells.

Block of the hERG channel by bupivacaine: Electrophysiological and modeling insights towards stereochemical optimization

The hERG voltage-gated potassium channel mediates the cardiac I(Kr) current, which is crucial for the duration of the cardiac action potential. Undesired block of the channel by certain drugs may prolong the QT interval and increase the risk of malignant ventricular arrhythmias. Although the molecular determinants of hERG block have been intensively studied, not much is known about its stereoselectivity. Levo-(S)-bupivacaine was the first drug reported to have a higher affinity to block hERG than its enantiomer. This study strives to understand the principles underlying the stereoselectivity of bupivacaine block with the help of mutagenesis analyses and molecular modeling simulations. Electrophysiological measurements of mutated hERG channels allowed for the identification of residues involved in bupivacaine binding and stereoselectivity. Docking and molecular mechanics simulations for both enantiomers of bupivacaine and terfenadine (a non-stereoselective blocker) were performed inside an open-state model of the hERG channel. The predicted binding modes enabled a clear depiction of ligand-protein interactions. Estimated binding affinities for both enantiomers were consistent with electrophysiological measurements. A similar computational procedure was applied to bupivacaine enantiomers towards two mutated hERG channels (Tyr652Ala and Phe656Ala). This study confirmed, at the molecular level, that bupivacaine stereoselectively binds the hERG channel. These results help to lay the foundation for structural guidelines to optimize the cardiotoxic profile of drug candidates in silico.

SAP97 and dystrophin macromolecular complexes determine two pools of cardiac sodium channels Nav1.5 in cardiomyocytes

The cardiac sodium channel Na(v)1.5 plays a key role in excitability and conduction. The 3 last residues of Na(v)1.5 (Ser-Ile-Val) constitute a PDZ-domain binding motif that interacts with the syntrophin-dystrophin complex. As dystrophin is absent at the intercalated discs, Na(v)1.5 could potentially interact with other, yet unknown, proteins at this site.

Influence of V5/6-His Tag on the Properties of Gap Junction Channels Composed of Connexin43, Connexin40 or Connexin45

HeLa cells expressing wild-type connexin43, connexin40 or connexin45 and connexins fused with a V5/6-His tag to the carboxyl terminus (CT) domain (Cx43-tag, Cx40-tag, Cx45-tag) were used to study connexin expression and the electrical properties of gap junction channels. Immunoblots and immunolabeling indicated that tagged connexins are synthesized and targeted to gap junctions in a similar manner to their wild-type counterparts. Voltage-clamp experiments on cell pairs revealed that tagged connexins form functional channels. Comparison of multichannel and single-channel conductances indicates that tagging reduces the number of operational channels, implying interference with hemichannel trafficking, docking and/or channel opening. Tagging provoked connexin-specific effects on multichannel and single-channel properties. The Cx43-tag was most affected and the Cx45-tag, least. The modifications included (1) V j-sensitive gating of I j (V j, gap junction voltage; I j, gap junction current), (2) contribution and (3) kinetics of I j deactivation and (4) single-channel conductance. The first three reflect alterations of fast V j gating. Hence, they may be caused by structural and/or electrical changes on the CT that interact with domains of the amino terminus and cytoplasmic loop. The fourth reflects alterations of the ion-conducting pathway. Conceivably, mutations at sites remote from the channel pore, e.g., 6-His-tagged CT, affect protein conformation and thus modify channel properties indirectly. Hence, V5/6-His tagging of connexins is a useful tool for expression studies in vivo. However, it should not be ignored that it introduces connexin-dependent changes in both expression level and electrophysiological properties.

Stereoselective Inhibition of the hERG1 Potassium Channel

A growing number of drugs have been shown to prolong cardiac repolarization, predisposing individuals to life-threatening ventricular arrhythmias known as Torsades de Pointes. Most of these drugs are known to interfere with the human ether à-gogo related gene 1 (hERG1) channel, whose current is one of the main determinants of action potential duration. Prolonged repolarization is reflected by lengthening of the QT interval of the electrocardiogram, as seen in the suitably named drug-induced long QT syndrome. Chirality (presence of an asymmetric atom) is a common feature of marketed drugs, which can therefore exist in at least two enantiomers with distinct three-dimensional structures and possibly distinct biological fates. Both the pharmacokinetic and pharmacodynamic properties can differ between enantiomers, as well as also between individuals who take the drug due to metabolic polymorphisms. Despite the large number of reports about drugs reducing the hERG1 current, potential stereoselective contributions have only been scarcely investigated. In this review, we present a non-exhaustive list of clinically important molecules which display chiral toxicity that may be related to hERG1-blocking properties. We particularly focus on methadone cardiotoxicity, which illustrates the importance of the stereoselective effect of drug chirality as well as individual variations resulting from pharmacogenetics. Furthermore, it seems likely that, during drug development, consideration of chirality in lead optimization and systematic assessment of the hERG1 current block with all enantiomers could contribute to the reduction of the risk of drug-induced LQTS.