Type Ia Supernova Cosmology : Quantitative Spectral Analysis

Type Ia supernovae have been successfully used as standardized candles to study the expansion history of the Universe. In the past few years, these studies led to the exciting result of an accelerated expansion caused by the repelling action of some sort of dark energy. This result has been confirmed by measurements of cosmic microwave background radiation, the large-scale structure, and the dynamics of galaxy clusters. The combination of all these experiments points to a “concordance model” of the Universe with flat large-scale geometry and a dominant component of dark energy. However, there are several points related to supernova measurements which need careful analysis in order to doubtlessly establish the validity of the concordance model. As the amount and quality of data increases, the need of controlling possible systematic effects which may bias the results becomes crucial. Also important is the improvement of our knowledge of the physics of supernovae events to assure and possibly refine their calibration as standardized candle. This thesis addresses some of those issues through the quantitative analysis of supernova spectra. The stress is put on a careful treatment of the data and on the definition of spectral measurement methods. The comparison of measurements for a large set of spectra from nearby supernovae is used to study the homogeneity and to search for spectral parameters which may further refine the calibration of the standardized candle. One such parameter is found to reduce the dispersion in the distance estimation of a sample of supernovae to below 6%, a precision which is comparable with the current lightcurve-based calibration, and is obtained in an independent manner. Finally, the comparison of spectral measurements from nearby and distant objects is used to test the possibility of evolution with cosmic time of the intrinsic brightness of type Ia supernovae.

Development of quantitative methods for sustainability assessment in process industry

The increasing aversion to technological risks of the society requires the development of inherently safer and environmentally friendlier processes, besides assuring the economic competitiveness of the industrial activities. The different forms of impact (e.g. environmental, economic and societal) are frequently characterized by conflicting reduction strategies and must be holistically taken into account in order to identify the optimal solutions in process design. Though the literature reports an extensive discussion of strategies and specific principles, quantitative assessment tools are required to identify the marginal improvements in alternative design options, to allow the trade-off among contradictory aspects and to prevent the “risk shift”. In the present work a set of integrated quantitative tools for design assessment (i.e. design support system) was developed. The tools were specifically dedicated to the implementation of sustainability and inherent safety in process and plant design activities, with respect to chemical and industrial processes in which substances dangerous for humans and environment are used or stored. The tools were mainly devoted to the application in the stages of “conceptual” and “basic design”, when the project is still open to changes (due to the large number of degrees of freedom) which may comprise of strategies to improve sustainability and inherent safety. The set of developed tools includes different phases of the design activities, all through the lifecycle of a project (inventories, process flow diagrams, preliminary plant lay-out plans). The development of such tools gives a substantial contribution to fill the present gap in the availability of sound supports for implementing safety and sustainability in early phases of process design. The proposed decision support system was based on the development of a set of leading key performance indicators (KPIs), which ensure the assessment of economic, societal and environmental impacts of a process (i.e. sustainability profile). The KPIs were based on impact models (also complex), but are easy and swift in the practical application. Their full evaluation is possible also starting from the limited data available during early process design. Innovative reference criteria were developed to compare and aggregate the KPIs on the basis of the actual sitespecific impact burden and the sustainability policy. Particular attention was devoted to the development of reliable criteria and tools for the assessment of inherent safety in different stages of the project lifecycle. The assessment follows an innovative approach in the analysis of inherent safety, based on both the calculation of the expected consequences of potential accidents and the evaluation of the hazards related to equipment. The methodology overrides several problems present in the previous methods proposed for quantitative inherent safety assessment (use of arbitrary indexes, subjective judgement, build-in assumptions, etc.). A specific procedure was defined for the assessment of the hazards related to the formations of undesired substances in chemical systems undergoing “out of control” conditions. In the assessment of layout plans, “ad hoc” tools were developed to account for the hazard of domino escalations and the safety economics. The effectiveness and value of the tools were demonstrated by the application to a large number of case studies concerning different kinds of design activities (choice of materials, design of the process, of the plant, of the layout) and different types of processes/plants (chemical industry, storage facilities, waste disposal). An experimental survey (analysis of the thermal stability of isomers of nitrobenzaldehyde) provided the input data necessary to demonstrate the method for inherent safety assessment of materials.

Influenza delle caratteristiche quali-quantitative della luce da fonti artificiali sulla fisio-morfologia di piante verdi per interior landscaping

La conoscenza delle esigenze luminose (intensità, spettro, durata minima, massima ed ottimale del fotoperiodo di illuminazione) e della tolleranza alle condizioni degli interni delle piante ad uso decorativo, è di fondamentale importanza per una giusta tecnica di progettazione (dimensionamento e dislocazione dei punti luce) dell’indoor plantscaping. Il lungo periodo di condizionamento al quale queste piante vengono sottoposte, caratterizzato principalmente dalla scarsa disponibilità di luce naturale e dagli alti livelli di concentrazione di CO2 determina una forte influenza sui processi morfo-fisiologici. Il presente studio analizza il fattore luminoso ed è articolato su più punti quali; • caratterizzazione della riposta fotosintetica all’intensità luminosa di 21 delle principali specie a fogliame decorativo comunemente utilizzate nella realizzazione degli spazi verdi indoor, per stabilire quali siano i minimi ed ottimali livelli di PAR tali da garantire una fotosintesi netta positiva e nel complesso le condizioni di maggior benessere per le piante; • quantificazione dell’incremento fotosintetico netto dovuto ad una maggior concentrazione di CO2 negli interni rispetto alla concentrazione CO2 atmosferica esterna, all’aumentare dell’ intensità luminosa artificiale sulle precedenti specie; • monitoraggio dell’andamento delle attività fotosintetiche durante il periodo di illuminazione di 8 ore comunemente utilizzato in un interno ad uso lavorativo, a PAR costante e variabile in Ficus elastica e Dieffenbachia picta, al fine di stabilire quali possano essere le durate e le modalità di somministrazione della luce per rendere massima la fotosintesi netta riducendo al minimo i consumi energetici dovuti all’accensione delle lampade; • valutazione della risposta morfo-fisiologica e fotosintetica a modificazioni dello spettro luminoso mediante l’uso di LED monocromatici colorati ad emissione nel bianco, blu e rosso in Ficus benjamina e Iresine herbistii al fine di stabilire se questo tipo di lampade possano essere utilizzate come fonte integrativa e/o sostitutiva nella realizzazione degli spazi verdi interni. Vengono analizzati il punto si compensazione alla luce (g), il punto di saturazione alla luce (s), l’efficienza quantica (AQE), il punto di respirazione al buio (Rd) e la fotosintesi netta massima (A max) per (Aglaonema commutatum, Asplenium nidus, Anthurium andreanum, Begonia rex, Calathea luoise, Calathea veitchiana, Calathea rufibarba, Calathea zebrina, Codiaeum variegatum, Cthenanthe oppenheimiana, Dieffenbakia picta, Ficus benjamina, Ficus elatica, Ficus longifolia, Fittonia verschaffeltii, Iresine herbistii, Philodendron erubescens, Philodendron pertusum, Potos aureus, Spathiphillum wallisi, Syngonium podophillum ) e classificate le specie in funzione di Amax in quattro categorie; A max < 2 µmol CO2 m-2 s-1, A max compresa tra 2 e 4 µmol CO2 m-2 s-1, Amax cpmpresa tra 4 e 6 µmol CO2 m-2 s-1, Amax > 6 µmol CO2 m-2 s-1, al fine di mettere in risalto la potenzialità fotosintetiche di ogni singola specie. I valori di PAR compresi tra (g) ed (s) forniscono le indicazioni sulle quali basarsi per scegliere una giusta lampada o dimensionare un punto luce per ogni singola specie e/o composizione. È stimata l’influenza di due livelli di concentrazione di CO2 ambientale (400 e 800 ppm) all’incrementare dell’intensità luminosa sul processo fotosintetico delle specie precedenti. Per quasi tutte le specie 800 ppm di CO2 non favoriscono nessun incremento all’attività fotosintetica ad eccezione di Ficus benjamina, Ficus elatica e Syngonium podophillum se non accompagnati da una disponibilità luminosa superiore alle 10 µmol m-2 s-1. Viene monitorato l’andamento dell’attività fotosintetica a PAR costante e variabile (intervallando periodi di 8 minuti a PAR 40 e 80) durante 8 ore di illuminazione su Ficus elastica e Dieffenbachia picta al fine di stabilire la miglior modalità di somministrazione della luce. La fotosintesi netta cumulativa per l’intera durata di illuminazione a PAR costante mostra un calo dopo alcune ore dall’attivazione in Dieffenbackia, e un andamento oscillatorio in Ficus. L’illuminazione alternata consente di raggiungere i quantitativi di CO2 organicata a 80 µmol m-2 s-1 di PAR, dopo 5 ore e mezza sia in Ficus che Dieffenbackia sebbene le potenzialità fotosintetiche delle due piante siano molto differenti. È stato valutato l’effetto dell’illuminazione artificiale mediante LED (15W) a luce bianca, blu e rossa monocromatica in rapporto alla luce neon(36W) bianca tradizionale (con differenti abbinamenti tra le lampade) sui principali parametri morfologici e fisiologici, in Ficus benjamin ‘Variegata’ e Iresine herbistii per verificare se tali fonti possono rappresentare una valida alternativa nella sostituzione o integrazione di altre lampade per gli spazi verdi indoor. Tutte le combinazioni LED indagate possono rappresentare un’alternativa di sostituzione alla coltivazione con neon ed un risparmio energetico di oltre il 50%. Una PAR di 20,6 µmol m-2 s-1 della singola lampada LED bianco è sufficiente per mantenere la pianta in condizioni di sopravvivenza con un consumo di 15W a fronte dei 36W necessari per il funzionamento di ogni neon. La combinazione LED bianco + LED blu monocromatico favorisce il contenimento della taglia della pianta, caratteristica gradita nella fase di utilizzo indoor, una maggior produzione di sostanza secca e un’attività fotosintetica più elevata.

Quantitative Untersuchungen zur mRNA-Expression verschiedener Neurotransmitterrezeptoren im Verlauf der neuronalen Entwicklung der Zellinie PCC7-Mz1

Die murine embryonale Karzinomazellinie PCC7-Mz1 stellt ein Modell neuronaler Entwicklung dar, da nach RA-Gabe eine Differenzierung in neuronale, gliale und fibroblastoide Phänotypen erfolgt. Um die Expression von Neurotransmitterrezeptoren während der neuronalen Entwicklung zu untersuchen, wurde in dieser Arbeit eine quantitative Analyse der Expression verschiedener Neurotransmitterrezeptoren im Verlauf der RA-induzierten Differenzierung der PCC7-Mz1 Zellen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurde eine kompetitive RT-PCR eingesetzt. Als Kompetitor wurde ein synthetisches Gen ( SG) konstruiert, das sich aus den Antisense- und Sense-Primersequenzen zur spezifischen Amplifikation des Dopaminrezeptors D2, des Serotoninrezeptors 5HT3, der GABAA-Untereinheiten ß1 und ß3, der metabotropen Glutamatrezeptoren mGluR1 und mGluR5, der 5 NMDA-Rezeptoruntereinheiten 1,2a,2b,2c und 2d, der Markerproteine Synaptophysin und GFAP, und der Untereinheiten a3, a4 und a7 des nikotinischen Acetylcholinrezeptors zusammensetzt. Mit diesem SG erfolgten die Quantifizierungen der Rezeptor-mRNA im Sättigungsbereich der PCR. Die erhaltenen Transkriptmengen wurden auf ein Neuron bezogen, wodurch eine Korrelation zur neuronalen Entwicklung erfolgen konnte.

Quantitative Aspekte der Anziehungskraft von Straßenbeleuchtungen auf die Emergenz aus nahegelegenen Gewässern (Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera, Diptera: Simuliidae, Chironomidae, Empididae) unter Berücksichtigung der spektralen Emission ve

Beim Beobachten von nächtlichen Insektenschwärmen an Straßenbeleuchtungen kommt es zur Frage, inwieweit von einer Bedrohung eines geordneten Naturkreislaufes durch dieses Phänomen gesprochen werden kann. Am Beispiel der bedrohten Artenvielfalt aquatischer Insekten im Bereich anthropogen bedingt verschmutzter Fließgewässer wurde die Problematik umfassend untersucht. Die Freilandtests erstreckten sich von Sommer 1998 bis Sommer 2000. Die vorliegende Arbeit geht mehreren Fragestellungen nach:1. - Wie hoch ist der Anteil aquatischer Insekten, der von dem Ort seiner Emergenz aus von einer naheliegenden Straßenlaterne angezogen wird ?2. - Welcher Lampentyp lockt weniger Insekten an: OSRAM HQL (Weiß-Mischlicht) oder PHILIPPS SON (gelbes Licht) ?3. - Welche Wellenlängenbereiche des Lichts sind beim Anflug an die Lampe von besonderer Präferenz ? zu 1. - Aquatische Insekten wiesen kein einheitliches Verhalten im Anflug an künstliches Licht auf. In den Sommermonaten kam es bei einigen Insektengruppen, wie z.B. den Trichopteren, zu einem massenhaften Anflug an die eine, im Untersuchungsgebiet aufgestellte Straßenlaterne. In dieser Zeit ergaben sich im Mittelwert Fangzahlen in einer Nacht am Licht, die der Emergenz von 25 Metern Bachufer/72 Stunden entsprachen. Bei den Dipteren ergab der mittlere Wert eine Emergenz von knapp 10 Metern Uferlänge/72 Stunden. Aufgrund hoher Fangzahlen konnten folgende Ergebnisse auf Artniveau bei den Chironomiden erzielt werden. Bei den zehn häufigsten Arten aus Emergenz und Lichtfang zeigten sich starke Schwankungen: Der Fang am Licht entsprach im Maximum einer Schlupfrate von 61 Metern Ufer/ 72 Stunden bei einer Art, bei einer anderen Art wurde z.B. ein Lichtfang erzielt, der lediglich die Emergenz von 0,3 Metern/72 Stunden umfaßte.zu 2. - In dem ohne Lichtkonkurrenz stattfindenden Vergleich zwischen PHILIPPS SON 70W und OSRAM HQL 125W ergab sich eine Fangrelation von 1:1,6 (SON:HQL). Bei einem Parallelfang (30 Metern Abstand der Leuchten) mit SON/HQL flogen wesentlich mehr Tiere an die HQL: Hier betrug die Relation 1:3,97 (SON:HQL). Es fand somit bei Lichtkonkurrenz eine Abwanderung der Insekten zur 'attraktiveren' Lampe statt.zu 3. - Zuletzt wurde die Anlockwirkung dreier Farbspektren mit den Intensitätsmaxima einer Wellenlänge von 437nm, 579nm und 599nm getestet. 437nm war die in der HQL gemessene Intensitätsspitze im niedrigwelligen Bereich und nach verbreiteter Auffassung von besonderer Anlockwirkung. Der Wellenlängenbereich um 579nm stellte das Intensitätsmaximum der SON-Lampe dar (gelbes Licht); 599nm war als Alternative für anlockschwache Beleuchtungen ausgewählt worden. Hier ergab sich bei abwechselndem Fang (ohne Lichtkonkurrenz) eine Fangrelation von 1,8 : 3,4 : 1 (437nm : 579nm : 599nm).

Quali-quantitative study of the phenolic and polyphenolic compounds and their antioxidant capacity in vegetal matrix processed with different technologies

Food technologies today mean reducing agricultural food waste, improvement of food security, enhancement of food sensory properties, enlargement of food market and food economies. Food technologists must be high-skilled technicians with good scientific knowledge of food hygiene, food chemistry, industrial technologies and food engineering, sensory evaluation experience and analytical chemistry. Their role is to apply the modern vision of science in the field of human nutrition, rising up knowledge in food science. The present PhD project starts with the aim of studying and improving frozen fruits quality. Freezing process in very powerful in preserve initial raw material characteristics, but pre-treatment before the freezing process are necessary to improve quality, in particular to improve texture and enzymatic activity of frozen foods. Osmotic Dehydration (OD) and Vacuum Impregnation (VI), are useful techniques to modify fruits and vegetables composition and prepare them to freezing process. These techniques permit to introduce cryo-protective agent into the food matrices, without significant changes of the original structure, but cause a slight leaching of important intrinsic compounds. Phenolic and polyphenolic compounds for example in apples and nectarines treated with hypertonic solutions are slightly decreased, but the effect of concentration due to water removal driven out from the osmotic gradient, cause a final content of phenolic compounds similar to that of the raw material. In many experiment, a very important change in fruit composition regard the aroma profile. This occur in strawberries osmo-dehydrated under vacuum condition or under atmospheric pressure condition. The increment of some volatiles, probably due to fermentative metabolism induced by the osmotic stress of hypertonic treatment, induce a sensory profile modification of frozen fruits, that in some way result in a better acceptability of consumer, that prefer treated frozen fruits to untreated frozen fruits. Among different processes used, a very interesting result was obtained with the application of a osmotic pre-treatment driven out at refrigerated temperature for long time. The final quality of frozen strawberries was very high and a peculiar increment of phenolic profile was detected. This interesting phenomenon was probably due to induction of phenolic biological synthesis (for example as reaction to osmotic stress), or to hydrolysis of polymeric phenolic compounds. Aside this investigation in the cryo-stabilization and dehydrofreezing of fruits, deeper investigation in VI techniques were carried out, as studies of changes in vacuum impregnated prickly pear texture, and in use of VI and ultrasound (US) in aroma enrichment of fruit pieces. Moreover, to develop sensory evaluation tools and analytical chemistry determination (of volatiles and phenolic compounds), some researches were bring off and published in these fields. Specifically dealing with off-flavour development during storage of boiled potato, and capillary zonal electrophoresis (CZE) and high performance liquid chromatography (HPLC) determination of phenolic compounds.

Quantitative evaluation of household nutrition patterns: an econometric assessment of the UK 5-a-day impact on fruit and vegetable consumption

The present work provides an ex-post assessment of the UK 5-a-day information campaign where the positive effects of information on consumption levels are disentangled from the potentially conflicting price dynamics. A model-based estimate of the counterfactual (no-intervention) scenario is computed using data from the Expenditure and Food Survey between 2002 and 2006. For this purpose fruit and vegetable demand is modelled employing Quadratic Almost Ideal Demand System (QUAIDS) specification with demographic effects and controlling for potential endogeneity of prices and total food expenditure.

Heterosis in maize (Zea mays, L.): characterization of heterotic quantitative trait loci (QTL) for agronomic traits in near isogenic lines (NILs) and their testcrosses

In a previous study on maize (Zea mays, L.) several quantitative trait loci (QTL) showing high dominance-additive ratio for agronomic traits were identified in a population of recombinant inbred lines derived from B73 × H99. For four of these mapped QTL, namely 3.05, 4.10, 7.03 and 10.03 according to their chromosome and bin position, families of near-isogenic lines (NILs) were developed, i.e., couples of homozygous lines nearly identical except for the QTL region that is homozygote either for the allele provided by B73 or by H99. For two of these QTL (3.05 and 4.10) the NILs families were produced in two different genetic backgrounds. The present research was conducted in order to: (i) characterize these QTL by estimating additive and dominance effects; (ii) investigate if these effects can be affected by genetic background, inbreeding level and environmental growing conditions (low vs. high plant density). The six NILs’ families were tested across three years and in three Experiments at different inbreeding levels as NILs per se and their reciprocal crosses (Experiment 1), NILs crossed to related inbreds B73 and H99 (Experiment 2) and NILs crossed to four unrelated inbreds (Experiment 3). Experiment 2 was conducted at two plant densities (4.5 and 9.0 plants m-2). Results of Experiments 1 and 2 confirmed previous findings as to QTL effects, with dominance-additive ratio superior to 1 for several traits, especially for grain yield per plant and its component traits; as a tendency, dominance effects were more pronounced in Experiment 1. The QTL effects were also confirmed in Experiment 3. The interactions involving QTL effects, families and plant density were generally negligible, suggesting a certain stability of the QTL. Results emphasize the importance of dominance effects for these QTL, suggesting that they might deserve further studies, using NILs’ families and their crosses as base materials.

Characterisation and field deployment of a novel quantitative Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS)

Das Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (ToF-AMS) der Firma Aerodyne ist eine Weiterentwicklung des Aerodyne Aerosolmassenspektrometers (Q-AMS). Dieses ist gut charakterisiert und kommt weltweit zum Einsatz. Beide Instrumente nutzen eine aerodynamische Linse, aerodynamische Partikelgrößenbestimmung, thermische Verdampfung und Elektronenstoß-Ionisation. Im Gegensatz zum Q-AMS, wo ein Quadrupolmassenspektrometer zur Analyse der Ionen verwendet wird, kommt beim ToF-AMS ein Flugzeit-Massenspektrometer zum Einsatz. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von Laborexperimenten und Feldmesskampagnen gezeigt, dass das ToF-AMS zur quantitativen Messung der chemischen Zusammensetzung von Aerosolpartikeln mit hoher Zeit- und Größenauflösung geeignet ist. Zusätzlich wird ein vollständiges Schema zur ToF-AMS Datenanalyse vorgestellt, dass entwickelt wurde, um quantitative und sinnvolle Ergebnisse aus den aufgenommenen Rohdaten, sowohl von Messkampagnen als auch von Laborexperimenten, zu erhalten. Dieses Schema basiert auf den Charakterisierungsexperimenten, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. Es beinhaltet Korrekturen, die angebracht werden müssen, und Kalibrationen, die durchgeführt werden müssen, um zuverlässige Ergebnisse aus den Rohdaten zu extrahieren. Beträchtliche Arbeit wurde außerdem in die Entwicklung eines zuverlässigen und benutzerfreundlichen Datenanalyseprogramms investiert. Dieses Programm kann zur automatischen und systematischen ToF-AMS Datenanalyse und –korrektur genutzt werden.

Automated Segmentation and Non-Rigid Registration for the Quantitative Evaluation of Myocardial Perfusion from Magnetic Resonance Images

Myocardial perfusion quantification by means of Contrast-Enhanced Cardiac Magnetic Resonance images relies on time consuming frame-by-frame manual tracing of regions of interest. In this Thesis, a novel automated technique for myocardial segmentation and non-rigid registration as a basis for perfusion quantification is presented. The proposed technique is based on three steps: reference frame selection, myocardial segmentation and non-rigid registration. In the first step, the reference frame in which both endo- and epicardial segmentation will be performed is chosen. Endocardial segmentation is achieved by means of a statistical region-based level-set technique followed by a curvature-based regularization motion. Epicardial segmentation is achieved by means of an edge-based level-set technique followed again by a regularization motion. To take into account the changes in position, size and shape of myocardium throughout the sequence due to out of plane respiratory motion, a non-rigid registration algorithm is required. The proposed non-rigid registration scheme consists in a novel multiscale extension of the normalized cross-correlation algorithm in combination with level-set methods. The myocardium is then divided into standard segments. Contrast enhancement curves are computed measuring the mean pixel intensity of each segment over time, and perfusion indices are extracted from each curve. The overall approach has been tested on synthetic and real datasets. For validation purposes, the sequences have been manually traced by an experienced interpreter, and contrast enhancement curves as well as perfusion indices have been computed. Comparisons between automatically extracted and manually obtained contours and enhancement curves showed high inter-technique agreement. Comparisons of perfusion indices computed using both approaches against quantitative coronary angiography and visual interpretation demonstrated that the two technique have similar diagnostic accuracy. In conclusion, the proposed technique allows fast, automated and accurate measurement of intra-myocardial contrast dynamics, and may thus address the strong clinical need for quantitative evaluation of myocardial perfusion.

Quantitative differential proteomics for analysis of posttranslational modifications of proteins

In this work we developed a new and convenient method for high resolution IEF of proteins, which we termed: “daisy chain”. Usually an IEF is accomplished with IPG strips of a desired pH range. For high resolution focusing we are using strips with pH range, which covers only one or two pH units. Thereby the pro-teins, which have isoelectrical point outside of this pH range, are lost. We evalu-ated commercially available IPG strips with consecutive or overlapping pH ranges and connected them serially acidic to basic end, to construct in this way a high resolution IEF-system. For the first time, we showed that a high resolution IEF is possible in such a system and that results were by no means worse than those obtained when the same sample was analyzed on individual single IPGs. The great advantage of our system is that amount of sample used in serial IPG IEF is explicitly lower than when same sample was analyzed on individual single IPGs. This method was subsequently successfully applied to valuable clinical samples from cancer patients and to mitochondrial preparations related to a European project in gerontology. We thus developed a suite of experimental strategies, which adequately address complex biological situations, in particular on the level of protein expression.

Morphologische und quantitative Untersuchungen synaptischer Körperchen in Retina und Zirbeldrüse von Säugetieren und Mensch

Um mit sehr hoher Geschwindigkeit Sinnesreize zur Weiterverarbeitung übertragen zu können, besitzen im Ruhezustand Dauerimpulse liefernde Rezeptorzellen in Sinnesorganen, wie z.B. der Netzhaut (Retina), spezialisierte glutamaterge Synapsen, die durch präsynapti-sche Körperchen (SK) charakterisiert sind, die außerdem nur in Parenchymzellen der Zirbel-drüse vorkommen. SK binden mit hoher Affinität Neurotransmittervesikel und zeigen licht- bzw. reizabhängige morphologische Veränderungen. Sie dienen der Speicherung, eventuell auch dem Transport dieser Vesikel zum Ort der Reizübertragung, der nahen aktiven Zone der Ribbonsynapse. Um Dynamik und Funktion der Zellorganellen zu verstehen, ist es wichtig, ihre genaue Topo-graphie und dreidimensionale (3D) Struktur unter verschiedenen Bedingungen zu kennen. So wurden aus Serienschnitten der Retina und Zirbeldrüse mit Hilfe geeigneter, teils selbst programmierter Software 3D-Rekonstruktionen der SK durchgeführt. Untersucht wurden die ersten und zweiten Synapsen der Sehbahn in Retinae von Mensch, Maus und Ratte, Zapfen-terminale des Hühnchens und SK in Zirbeldrüsen von Ratte, Meerschweinchen und Kaninchen. Analysiert wurde zu verschiedenen Zeitpunkten der Photoperiode oder unter experimentellen Bedingungen entnommenes Frischgewebe sowie Material aus Organkultu-ren. Außerdem wurden SK unter diversen Bedingungen quantifiziert, wobei eine neue Zähl-methode entwickelt wurde, die auf einer Modifikation des Disektors basiert und die Quantifi-zierung auch anderer seltener Ultrastrukturen am Elektronenmikroskop ermöglicht. Im Gegensatz zur etablierten Zählmethode, die die Profilzahl von SK in einer definierten Fläche (PZ) angibt, liefert die vorgestellte Methode die aussagekräftigere Zahl der SK in definierten Volumina und hängt weder von deren Form noch Größe ab. Diverse Kalkulationen zeigten, daß eine Umrechnung von am selben Material gewonnenen PZ in validere Disektor Werte nicht präzise genug möglich ist. Um sinnvolle Aussagen zur Quantität von SK machen zu können, ist es daher erforderlich, die Methode für jedes Tier einer identisch behandelten Gruppe anzuwenden. Es konnte gezeigt werden, daß SK eine konstante Dicke von 35 nm haben. In der Retina sind sie meist nur in einer Ebene C-förmig gebogene Bänder, weshalb sie auch als "synaptic ribbons" bezeichnet werden, oder Platten mit Breite zu Höhe Verhältnissen zwischen 6:1 bis 3:1. Die elektronendichten, unter Normalbedingungen durch regelmäßig polymerisierte Dimere des Hauptproteins RIBEYE pentalamellären SK binden über dünne Proteinbrücken glutamathaltige Neurotransmittervesikel. Ihre untere lange schmale Kante ist über feines elektronendichtes Material an einem, als arciform density (ad) bezeichneten Plaque der Zell-membran verankert, der die Form einer gebogenen Rinne hat. Die zumeist senkrecht darauf stehenden SK zeigen an ihrer membranfernen langen Kante zu Beginn der Lichtphase, ins-besondere aber unter Dauerlicht partiell verdickte Ränder, die auf An- bzw. Abbauvorgänge hinweisen. Diese Veränderungen waren nur in Stäbchenterminalen und Pinealozyten in Ver-bindung mit dem Auftreten kleinerer klumpiger bis kugelförmiger SK nachweisbar und zeig-ten sich in den Schnitten als runde oder irreguläre Profile, die dann neben den "üblichen" stabförmigen SK-Anschnitten vorlagen. Die 3D-Rekonstruktion von Stäbchenterminalen der menschlichen Retina zeigte, daß diese entsprechend der Zahl ihrer SK 1-3 Ribbonsynapsen aufweisen. Letztere bestehen aus einem an der Zellmembran senkrecht über eine ad verankerten SK und der aktiven Zone, die einem ca. 200 nm breiten Bereich der Zellmembran in Fortsetzung der ad nach seitlich oben entspricht. Die boomerang- bis hufeisenförmigen SK haben 2 parallele flache Hauptflächen. Postsynaptisch liegen zwei Horizontalzellfortsätze, welche mit variabeln Aufspaltungen von einem engen Hilus aus tief in Stäbchenendkolben invaginiert sind. Sie verbreitern sich termi-nal und zeigen große breite oft aufgefächerte bzw. verzweigte Auftreibungen. Die Ribbon-synapsen sind in die zwischen solchen Endauftreibungen entstehenden Rinnen eingesenkt. Unterhalb ihrer ad berühren sich die Horizontalzellterminale. Etwas darunter enden 1-2 ca. 100 nm breite Bipolarzelldendriten, die vom Zentrum der Invagination des Stäbchenterminals zum Hilus hin dünner werden, um zum Soma invaginierender ON-Bipolarzellen weiterzulau-fen. Da die Zahl der in den Stäbchenendkolben eintretenden Fortsätze variabel ist, fanden sich Konstellationen von 1-3 SK, 1-3 Horizontal- und 1-4 Bipolarzellterminalen, wie sie auch in der Literatur beschrieben sind. Drei zentrale Ausschnitte menschlicher Zapfenpedikel wurden aus lückenlosen Serienschnit-ten mit ihren Mitochondrien, SK und den in Form von Triaden hier invaginierenden postrib-bonsynaptischen Fortsätzen rekonstruiert. Der Grundbauplan der Ribbonsynapsen ist hier dem der Stäbchen ähnlich, jedoch sind die SK kürzer, die Invaginationen deutlich kleiner und nie verzweigt, die Bipolarzelldendriten breiter und die Horizontalzellfortsätze terminal weniger stark und nur rundlich aufgetrieben. Zapfen-SK sind nur in einer Ebene schwach gebogene Bänder. Die gefundene Zahl von Zapfen SK paßt zu Literaturdaten, deren Zusammenfas-sung für Primaten foveanah 10-20 und peripher 30-40 SK zeigt. In Bipolarzellaxonen des Menschen waren SK nicht immer über leistenartige Membranplaques am Plasmalemm ver-ankert. Die hier flachen Ribbonsynapsen zeigten kleinere bandförmige oder nur ca. 250 x 150 x 35 nm große plattenförmige SK mit etwas größerem Abstand zu den aktiven Zonen als in Photorezeptoren. Bei BALB/c Mäusen, deren SK besonders deutlich auf Veränderungen der Photoperiode oder experimentelle Bedingungen reagieren, zeigten Rekonstruktionen von Stäbchenribbon-synapsen am Ende der Dunkelphase band- bis boomerangförmige SK und weder Klumpen noch Kugeln. Im ersten Drittel und gegen Ende der Lichtphase fanden sich jedoch ca. 20 Prozent solch veränderter SK. Gleichzeitig waren die mittleren Abschnitte vieler SK unter beiden Lichtbedingungen dünner als am Ende der Dunkelphase. Die langen, oft mehrfach gebogenen und verdrehten Zapfen-SK dieser Mäuse waren unabhängig von den Lichtbedin-gungen oft deutlich größer als die der Stäbchen, wohingegen beim Menschen Zapfen-SK re-lativ gerade, bandförmige Zellorganellen geringerer Größe als in Stäbchen darstellten. Während in Stäbchenterminalen nur ausnahmsweise mehr als ein größeres bandförmiges SK (neben eventuellen kugelförmigen) vorlag, zeigten sich in den Zapfen orts- und spezies-abhängig 15 bis über 25 meist bandförmige Organellen, die in wenigen Fällen mit zwei ge-legentlich sogar 3 verschiedenen Triaden aus 2 Horizontal- und einem Bipolarzellfortsatz ver-bunden waren. Dies ist bei BALB/c Mäusen, die weniger, aber größere Zapfen-SK zeigten, häufiger als beim Menschen. Die SK der Bipolarzellen in der inneren plexiformen Schicht waren speziesübergreifend meist lange Bänder oder kleine Platten mit ca. 250 x 150 nm großen Hauptflächen und nur ge-ringen Verdrehungen. Verschiedene Bipolarzelltypen haben unterschiedlich viele SK. Im Rahmen der Arbeit erstmals erstellte 3D-Rekonstruktion ektopischer synaptischer Körper-chen (eSK) konnten belegen, daß diese in Bipolarzelldendriten lokalisiert sind. Die kleinen, leicht gebogenen, 35 nm dicken Platten, deren große Oberflächen Dimensionen von meist nur ca. 100 x 200 nm hatten, sind praktisch nie an der Zellmembran verankert, sondern ste-hen in einigen Fällen über zu langen Tubuli fusionierte Vesikel mit dem Interzellularspalt in Verbindung. Dies könnte ein Hinweis auf eine "compound" Endo- oder Exozytose sein. Sel-ten finden sich zwei, ausnahmsweise auch drei parallel zueinander angeordnete SK im Inne-ren der Bipolarzelldendriten, meistens nahe deren Eintritt in Stäbchenendkolben. Im Gegen-satz zur Ratte fanden sich eSK bei seit Geburt unter Dauerdunkelheit gehaltenen BALB/c Mäusen sogar im in Stäbchen- bzw. Zapfenterminal invaginierten Abschnitt von Bipolarzell-dendriten. Neben plattenförmigen SK lagen bei diesen Mäusen auch innen hohle klumpen-förmige Organellen in Stäbchenbipolarzelldendriten vor. Unter Organkultur und Ca++-Entzug fanden sich in Stäbchen die massivsten Veränderungen von SK, die entweder als Klumpen oder Kugeln vorlagen oder massive Protrusionen an ei-nem kleinen plattenförmigen Abschnitt zeigten, der noch an der ad befestigt blieb. Die Be-funde deuten darauf hin, daß Licht über Kalziumentzug zu Verklumpungen an SK und zur Abschnürung von klumpen- bis kugelförmigen SK Fragmenten führt. Bei der Rekonstruktion mit anti-β-Dystroglykan Immunogold-markierter Zapfenterminalen der Hühnchenretina konnte erstmals gezeigt werden, daß sich dieses zum Dystrophin-assozierten Glykoproteinkomplex gehörende Protein in perisynaptischen Fortsätzen der Pho-torezeptoren seitlich und an ihren Spitzen fand, während Horizontal- und Bipolarzellfortsätze nicht markiert waren. Dies deutet auf eine neue strukturelle oder funktionelle Domäne in Pho-torezeptorterminalen hin, die eine noch im Detail zu klärende Rolle bei der synaptischen Transmission spielt, da bei Mutationen im Dystrophin-assoziierten Proteinkomplex eine Ver-änderung der synaptischen Kommunikation in der äußeren plexiformen Schicht zu beobach-ten ist. In der Zirbeldrüse sind die meisten SK wenig gebogene, flache, plattenförmige Strukturen, die bei der Ratte meist ca. 300x150x35 nm groß sind. Daneben gibt es deutlich längere bandförmige Organellen und unter Normalbedingungen bei Ratte und Hühnchen praktisch keine, bei Meerschweinchen nur wenige klumpige oder kugelförmige SK. Pinealozyten der Meerschweinchenzirbeldrüse weisen üblicherweise Felder parallel gruppierter plattenförmi-ger synaptischer Körperchen auf. Unter Dauerlicht zeigten sich an der Membran benachbar-ter Zellen einander gegenüberliegende Felder stark verbogener, partiell verdickter SK, die vermutlich aus verschmolzenen Einzelplatten entstanden waren sowie deutlich mehr kugeli-ge bzw. klumpige SK. Die Organellen nehmen nachts an Größe zu, wodurch sich ihre Ober-fläche vergrößert, bei Ratten nimmt sie um 19,3 Prozent von 0,041 auf 0,0501 µm² zu. Da die plattenförmigen SK eine konstante Dicke von 35 nm hatten, läßt sich so ein durchschnitt-liches Volumen von 1,47x10-3 µm³ für 12.00 und von 1,75x10-3 µm³ für Mitternacht mit einer Zunahme von 0,28x10-3 µm³ (entspricht 19,3 %) errechnen. Der Vergleich von Pinealocyten-SK von unter LD 4:20 zu LD 20:4 gehaltenen Ratten zeigte unter LD 20:4 insignifikant mehr SK, die signifikant längere Profile hatten, was auf eine Größenzunahme der Organellen hin-deutet. Überlegungen und mathematische Berechnungen, was Profillängenmessungen bedeuten und wieviele Profile für sinnvolle Vergleiche ausgewertet werden müßten, werden kritisch diskutiert. Die selbst erhobenen Befunde werden im Kontext mit allen verfügbaren Literaturdaten de origine, dem Auftreten von SK in der Ontogenese sowie SK betreffenden pathologischen und Altersveränderungen betrachtet. Hierbei deutet die Analyse der Chronobiologie von SK in quantitativer und morphologischer Hinsicht auf eine Abhängigkeit von der Photoperiode bzw. Licht und Dunkelheit und nicht auf eine endogene zirkadiane Rhythmik hin. Die oberhalb funktionell wichtiger Ca++-Känale lokalisierten SK setzen in Photorezeptoren die Lichtinformation in exozytierte Glutamatquanten um, wobei das Glutamat an verschiedenen postsynaptischen Orten wirkt. Die zuvor nie so anschaulich durch 3D-Stereoanimationen visualisierten Befunde zeigen, daß die Morphologie von SK hier für eine maximal schnelle Freisetzung der gebundenen Transmittervesikel an in unmittelbarer Nähe gelegenen aktiven Zonen der Ribbonsynapsen optimiert ist. Der molekulare Aufbau von SK wird ultrastrukturell nachvollzogen und die Funktion der Organellen diskutiert. Diesbezüglich ist die Vesikelspei-cherung erwiesen, das "Priming" für die Exozytose beinahe bewiesen, eine Koordinations-funktion für multivesikuläre Transmitterfreisetzung ist denkbar, während eine Förderband-funktion eher unwahrscheinlich ist. In breve haben die im Rahmen dieser Habilitation ge-wonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden einige Beiträge zur Klärung des mor-phologisch funktionellen Gesamtverständnisses der Ribbonsynapsen geleistet.

Lesion detection and classification in breast cancer: evaluation of approaches based on morphological features, tracer kinetic modelling and semi-quantitative parameters in MR functional imaging (DCE-MRI)

The diagnosis, grading and classification of tumours has benefited considerably from the development of DCE-MRI which is now essential to the adequate clinical management of many tumour types due to its capability in detecting active angiogenesis. Several strategies have been proposed for DCE-MRI evaluation. Visual inspection of contrast agent concentration curves vs time is a very simple yet operator dependent procedure, therefore more objective approaches have been developed in order to facilitate comparison between studies. In so called model free approaches, descriptive or heuristic information extracted from time series raw data have been used for tissue classification. The main issue concerning these schemes is that they have not a direct interpretation in terms of physiological properties of the tissues. On the other hand, model based investigations typically involve compartmental tracer kinetic modelling and pixel-by-pixel estimation of kinetic parameters via non-linear regression applied on region of interests opportunely selected by the physician. This approach has the advantage to provide parameters directly related to the pathophysiological properties of the tissue such as vessel permeability, local regional blood flow, extraction fraction, concentration gradient between plasma and extravascular-extracellular space. Anyway, nonlinear modelling is computational demanding and the accuracy of the estimates can be affected by the signal-to-noise ratio and by the initial solutions. The principal aim of this thesis is investigate the use of semi-quantitative and quantitative parameters for segmentation and classification of breast lesion. The objectives can be subdivided as follow: describe the principal techniques to evaluate time intensity curve in DCE-MRI with focus on kinetic model proposed in literature; to evaluate the influence in parametrization choice for a classic bi-compartmental kinetic models; to evaluate the performance of a method for simultaneous tracer kinetic modelling and pixel classification; to evaluate performance of machine learning techniques training for segmentation and classification of breast lesion.