Fast frontend electronics for high rate particle detectors

Future experiments in nuclear and particle physics are moving towards the high luminosity regime in order to access rare processes. In this framework, particle detectors require high rate capability together with excellent timing resolution for precise event reconstruction. In order to achieve this, the development of dedicated FrontEnd Electronics (FEE) for detectors has become increasingly challenging and expensive. Thus, a current trend in R&D is towards flexible FEE that can be easily adapted to a great variety of detectors, without impairing the required high performance. This thesis reports on a novel FEE for two different detector types: imaging Cherenkov counters and plastic scintillator arrays. The former requires high sensitivity and precision for detection of single photon signals, while the latter is characterized by slower and larger signals typical of scintillation processes. The FEE design was developed using high-bandwidth preamplifiers and fast discriminators which provide Time-over-Threshold (ToT). The use of discriminators allowed for low power consumption, minimal dead-times and self-triggering capabilities, all fundamental aspects for high rate applications. The output signals of the FEE are readout by a high precision TDC system based on FPGA. The performed full characterization of the analogue signals under realistic conditions proved that the ToT information can be used in a novel way for charge measurements or walk corrections, thus improving the obtainable timing resolution. Detailed laboratory investigations proved the feasibility of the ToT method. The full readout chain was investigated in test experiments at the Mainz Microtron: high counting rates per channel of several MHz were achieved, and a timing resolution of better than 100 ps after walk correction based on ToT was obtained. Ongoing applications to fast Time-of-Flight counters and future developments of FEE have been also recently investigated.

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Etablierung transgener BY-2-Zelllinien zur In-vivo-Lokalisierung pflanzlicher Cytoskelettproteine

Bei den Pflanzen sind viele Fragen bezüglich der Organisation und Regulation des bei der Zellteilung und differenzierung wichtigen Auf-, Ab- und Umbaus des Mikrotubuli-Netzwerkes noch immer offen, insbesondere was die Rolle des γ-Tubulins betrifft. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung von BY-2 Modell-Zelllinien (Nicotiana), die verschiedene mit fluoreszierenden Proteinen (FP) markierte Elemente des Cytoskeletts exprimieren, um eine fluoreszenzmikroskopische Detektion in vivo zu ermöglichen.rnAls Grundlage für alle weiteren Versuche wurde eine zuverlässige Methode zur A. tumefaciens vermittelten stabilen Transfektion von BY-2 Zellen erarbeitet. Für die Expression von FP-markierten Cytoskelettproteinen, wurden entsprechende Fusionskonstrukte kloniert und via A. tumefaciens in BY-2 Zellen transferiert. So gelang zunächst die Herstellung transgener Zelllinien, die GFP-markiertes α- bzw. γ-Tubulin exprimierten. Diese sollten später als Basis für die Untersuchung des dynamischen Mikrotubuli-Netzwerkes bzw. dessen Regulation dienen. In beiden Zelllinien standen die Konstrukte zunächst unter Kontrolle eines doppelten 35S-Promotors, was zu einer starken, konstitutiven Expression der Transgene führte. Fluoreszenzmikroskopisch konnten Strukturen, an deren Aufbau Mikrotubuli beteiligt sind, detektiert werden. Aufgrund einer starken Hintergrundfluoreszenz, vermutlich bedingt durch die konstitutive Überexpression, war die Darstellung feinerer Bereiche, wie sie im Cytoskelett häufig auftreten, jedoch äußerst schwierig. Deshalb wurde eine schwächere bzw. adäquate Expressionsrate angestrebt. rnPhysiologische Expressionsraten sollten vor allem durch den endogenen γ-Tubulin-Promotor ermöglicht werden. Da die entsprechende Sequenz noch unbekannt war, wurde sie zunächst bestimmt und in ein passendes Konstrukt integriert. Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen der resultierenden Zelllinie ließen auf eine stark reduzierte Expressionsrate schließen. Tatsächlich war die Detektion von Cytoskelettstrukturen, wenn überhaupt, erst bei deutlich längeren Belichtungszeiten möglich. Bedingt durch die langen Belichtungszeiten wurde die Dokumentation durch eine latente pflanzentypische Autofluoreszenz der Zellen erschwert. Auch wenn hier keine detailreicheren Aufnahmen der Cytoskelettstrukturen möglich waren, ist die Zellkultur für weiterführende Untersuchungen, z.B. in Studien bezüglich des zeitlichen Expressionsmusters des γ-Tubulins, potentiell geeignet. Der Einsatz eines sensibleren Mikroskopsystems ist allerdings erforderlich. rnUm klären zu können, inwieweit γ-Tubulin mit den Mikrotubuli co-lokalisiert, wurden Zelllinien benötigt, bei denen die entsprechenden Elemente unterschiedlich markiert waren. Zu diesem Zweck wurde der Einsatz von RFP-markiertem Tubulin getestet. Eine deutliche Überexpression von RFP alleine war möglich. Trotz mehrfacher Wiederholung der Versuche war aber keine Expression von RFP-markiertem α-Tubulin in BY-2 Zellen zur Visualisierung der Mikrotubuli detektierbar. Die DNA-Sequenzen waren im Genom nachweisbar, eine Transkription jedoch nicht. Möglicherweise spielten hier gene silencing Effekte eine Rolle. Das verwendete RFP (TagRFP) und GFP stammten aus unterschiedlichen Organismen, aus einer Seeanemone bzw. einer Qualle. Eine Lösung könnte der Austausch des TagRFP durch ein Quallen-Derivat, das in einer von grün unterscheidbaren Farbe fluoresziert, bringen. Da bereits BY-2 Zelllinien vorliegen, die GFP-markiertes α- bzw. γ-Tubulin exprimieren, sollte es, nach Klonieren eines entsprechenden Konstruktes, zeitnah möglich sein, eine doppelt transfizierte Zelllinie herzustellen.

Examination of FGFRL1 as a candidate gene for diaphragmatic defects at chromosome 4p16.3 shows that Fgfrl1 null mice have reduced expression of Tpm3, sarcomere genes and Lrtm1 in the diaphragm

Fgfrl1 (also known as Fgfr5; OMIM 605830) homozygous null mice have thin, amuscular diaphragms and die at birth because of diaphragm hypoplasia. FGFRL1 is located at 4p16.3, and this chromosome region can be deleted in patients with congenital diaphragmatic hernia (CDH). We examined FGFRL1 as a candidate gene for the diaphragmatic defects associated with 4p16.3 deletions and re-sequenced this gene in 54 patients with CDH. We confirmed six known coding single nucleotide polymorphisms (SNPs): c.209G > A (p.Pro20Pro), c.977G > A (p.Pro276Pro), c.1040T > C (p.Asp297Asp), c.1234C > A (p.Pro362Gln), c.1420G > T (p.Arg424Leu), and c.1540C > T (p.Pro464Leu), but we did not identify any gene mutations. We genotyped additional CDH patients for four of these six SNPs, including the three non-synonymous SNPs, to make a total of 200 chromosomes, and found that the allele frequency for the four SNPs, did not differ significantly between patients and normal controls (p > or = 0.05). We then used Affymetrix Genechip Mouse Gene 1.0 ST arrays and found eight genes with significantly reduced expression levels in the diaphragms of Fgfrl1 homozygous null mice when compared with wildtype mice-Tpm3, Fgfrl1 (p = 0.004), Myl2, Lrtm1, Myh4, Myl3, Myh7 and Hephl1. Lrtm1 is closely related to Slit3, a protein associated with herniation of the central tendon of the diaphragm in mice. The Slit proteins are known to regulate axon branching and cell migration, and inhibition of Slit3 reduces cell motility and decreases the expression of Rac and Cdc42, two genes that are essential for myoblast fusion. Further studies to determine if Lrtm1 has a similar function to Slit3 and if reduced Fgfrl1 expression can cause diaphragm hypoplasia through a mechanism involving decreased myoblast motility and/or myoblast fusion, seem indicated.

Statin therapy and the expression of genes that regulate calcium homeostasis and membrane repair in skeletal muscle

In skeletal muscle of patients with clinically diagnosed statin-associated myopathy, discrete signs of structural damage predominantly localize to the T-tubular region and are suggestive of a calcium leak. The impact of statins on skeletal muscle of non-myopathic patients is not known. We analyzed the expression of selected genes implicated in the molecular regulation of calcium and membrane repair, in lipid homeostasis, myocyte remodeling and mitochondrial function. Microscopic and gene expression analyses were performed using validated TaqMan custom arrays on skeletal muscle biopsies of 72 age-matched subjects who were receiving statin therapy (n = 38), who had discontinued therapy due to statin-associated myopathy (n = 14), and who had never undergone statin treatment (n = 20). In skeletal muscle, obtained from statin-treated, non-myopathic patients, statins caused extensive changes in the expression of genes of the calcium regulatory and the membrane repair machinery, whereas the expression of genes responsible for mitochondrial function or myocyte remodeling was unaffected. Discontinuation of treatment due to myopathic symptoms led to a normalization of gene expression levels, the genes encoding the ryanodine receptor 3, calpain 3, and dystrophin being the most notable exceptions. Hence, even in clinically asymptomatic (non-myopathic) patients, statin therapy leads to an upregulation in the expression of genes that are concerned with skeletal muscle regulation and membrane repair.

Genome-wide DNA profiling of marginal zone lymphomas identifies subtype-specific lesions with an impact on the clinical outcome

Marginal zone B-cell lymphomas (MZLs) have been divided into 3 distinct subtypes (extranodal MZLs of mucosa-associated lymphoid tissue [MALT] type, nodal MZLs, and splenic MZLs). Nevertheless, the relationship between the subtypes is still unclear. We performed a comprehensive analysis of genomic DNA copy number changes in a very large series of MZL cases with the aim of addressing this question. Samples from 218 MZL patients (25 nodal, 57 MALT, 134 splenic, and 2 not better specified MZLs) were analyzed with the Affymetrix Human Mapping 250K SNP arrays, and the data combined with matched gene expression in 33 of 218 cases. MALT lymphoma presented significantly more frequently gains at 3p, 6p, 18p, and del(6q23) (TNFAIP3/A20), whereas splenic MZLs was associated with del(7q31), del(8p). Nodal MZLs did not show statistically significant differences compared with MALT lymphoma while lacking the splenic MZLs-related 7q losses. Gains of 3q and 18q were common to all 3 subtypes. del(8p) was often present together with del(17p) (TP53). Although del(17p) did not determine a worse outcome and del(8p) was only of borderline significance, the presence of both deletions had a highly significant negative impact on the outcome of splenic MZLs.

Saliva/pathogen biomarker signatures and periodontal disease progression

The purpose of this study was to determine the role of saliva-derived biomarkers and periodontal pathogens during periodontal disease progression (PDP). One hundred human participants were recruited into a 12-month investigation. They were seen bi-monthly for saliva and clinical measures and bi-annually for subtraction radiography, serum and plaque biofilm assessments. Saliva and serum were analyzed with protein arrays for 14 pro-inflammatory and bone turnover markers, while qPCR was used for detection of biofilm. A hierarchical clustering algorithm was used to group study participants based on clinical, microbiological, salivary/serum biomarkers, and PDP. Eighty-three individuals completed the six-month monitoring phase, with 39 [corrected] exhibiting PDP, while 44 [corrected] demonstrated stability. Participants assembled into three clusters based on periodontal pathogens, serum and salivary biomarkers. Cluster 1 members displayed high salivary biomarkers and biofilm; 71% [corrected] of these individuals were undergoing PDP. Cluster 2 members displayed low biofilm and biomarker levels; 76% [corrected] of these individuals were stable. Cluster 3 members were not discriminated by PDP status; however, cluster stratification followed groups 1 and 2 based on thresholds of salivary biomarkers and biofilm pathogens. The association of cluster membership to PDP was highly significant (p < 0.0007). [corrected] The use of salivary and biofilm biomarkers offers potential for the identification of PDP or stability (ClinicalTrials.gov number, CT00277745).

Different molecular and structural adaptations with eccentric and conventional strength training in elderly men and women

Reprogramming of gene expression contributes to structural and functional adaptation of muscle tissue in response to altered use. The aim of this study was to investigate mechanisms for observed improvements in leg extension strength, gain in relative thigh muscle mass and loss of body and thigh fat content in response to eccentric and conventional strength training in elderly men (n = 14) and women (n = 14; average age of the men and women: 80.1 ± 3.7 years) by means of structural and molecular analyses. Biopsies were collected from m. vastus lateralis in the resting state before and after 12 weeks of training with two weekly resistance exercise sessions (RET) or eccentric ergometer sessions (EET). Gene expression was analyzed using custom-designed low-density PCR arrays. Muscle ultrastructure was evaluated using EM morphometry. Gain in thigh muscle mass was paralleled by an increase in muscle fiber cross-sectional area (hypertrophy) with RET but not with EET, where muscle growth is likely occurring by the addition of sarcomeres in series or by hyperplasia. The expression of transcripts encoding factors involved in muscle growth, repair and remodeling (e.g., IGF-1, HGF, MYOG, MYH3) was increased to a larger extent after EET than RET. MicroRNA 1 expression was decreased independent of the training modality, and was paralleled by an increased expression of IGF-1 representing a potential target. IGF-1 is a potent promoter of muscle growth, and its regulation by microRNA 1 may have contributed to the gain of muscle mass observed in our subjects. EET depressed genes encoding mitochondrial and metabolic transcripts. The changes of several metabolic and mitochondrial transcripts correlated significantly with changes in mitochondrial volume density. Intramyocellular lipid content was decreased after EET concomitantly with total body fat. Changes in intramyocellular lipid content correlated with changes in body fat content with both RET and EET. In the elderly, RET and EET lead to distinct molecular and structural adaptations which might contribute to the observed small quantitative differences in functional tests and body composition parameters. EET seems to be particularly convenient for the elderly with regard to improvements in body composition and strength but at the expense of reducing muscular oxidative capacity.

A subset of metzincins and related genes constitutes a marker of human solid organ fibrosis

Metzincins and functionally related genes play important roles in extracellular matrix remodeling both in healthy and fibrotic conditions. We recently presented a transcriptomic classifier consisting of 19 metzincins and related genes (MARGS) discriminating biopsies from renal transplant patients with or without interstitial fibrosis/tubular atrophy (IF/TA) by virtue of gene expression measurement (Roedder et al., Am J Transplant 9:517-526, 2009). Here we demonstrate that the same algorithm has diagnostic value in non-transplant solid organ fibrosis. We used publically available microarray datasets of 325 human heart, liver, lung, kidney cortex, and pancreas microarray samples (265 with fibrosis, 60 healthy controls). Expression of nine commonly differentially expressed genes was confirmed by TaqMan low-density arrays (Applied Biosystems, USA) in 50 independent archival tissue specimens with matched histological diagnoses to microarray patients. In separate and in combined, integrated microarray data analyses of five datasets with 325 samples, the previously published MARGS classifier for renal post-transplant IF/TA had a mean AUC of 87% and 82%, respectively. These data demonstrate that the MARGS gene panel classifier not only discriminates IF/TA from normal renal transplant tissue, but also classifies solid organ fibrotic conditions of human pancreas, liver, heart, kidney, and lung tissue samples with high specificity and accuracy, suggesting that the MARGS classifier is a cross-platform, cross-organ classifier of fibrotic conditions of different etiologies when compared to normal tissue.

Deletions of 11q22.3-q25 are associated with atypical lung carcinoids and poor clinical outcome

Carcinoids are slow-growing neuroendocrine tumors that, in the lung, can be subclassified as typical (TC) or atypical (AC). To identify genetic alterations that improve the prediction of prognosis, we investigated 34 carcinoid tumors of the lung (18 TCs, 15 ACs, and 1 unclassified) by using array comparative genomic hybridization (array CGH) on 3700 genomic bacterial artificial chromosome arrays (resolution ?1 Mb). When comparing ACs with TCs, the data revealed: i) a significant difference in the average number of chromosome arms altered (9.6 versus 4.2, respectively; P = 0.036), with one subgroup of five ACs having more than 15 chromosome arms altered; ii) chromosomal changes in 30% of ACs or more with additions at 9q (?1 Mb) and losses at 1p, 2q, 10q, and 11q; and iii) 11q deletions in 8 of 15 ACs versus 1 of 18 TCs (P = 0.004), which was confirmed via fluorescence in situ hybridization. The four critical regions of interest in 45% ACs or more comprised 11q14.1, 11q22.1-q22.3, 11q22.3-q23.2, and 11q24.2-q25, all telomeric of MEN1 at 11q13. Results were correlated with patient clinical data and long-term follow-up. Thus, there is a strong association of 11q22.3-q25 loss with poorer prognosis, alone or in combination with absence of 9q34.11 alterations (P = 0.0022 and P = 0.00026, respectively).

Thin-Film Sparse Boundary Array Design for Passive Acoustic Mapping During Ultrasound Therapy

A new 2-D hydrophone array for ultrasound therapy monitoring is presented, along with a novel algorithm for passive acoustic mapping using a sparse weighted aperture. The array is constructed using existing polyvinylidene fluoride (PVDF) ultrasound sensor technology, and is utilized for its broadband characteristics and its high receive sensitivity. For most 2-D arrays, high-resolution imagery is desired, which requires a large aperture at the cost of a large number of elements. The proposed array's geometry is sparse, with elements only on the boundary of the rectangular aperture. The missing information from the interior is filled in using linear imaging techniques. After receiving acoustic emissions during ultrasound therapy, this algorithm applies an apodization to the sparse aperture to limit side lobes and then reconstructs acoustic activity with high spatiotemporal resolution. Experiments show verification of the theoretical point spread function, and cavitation maps in agar phantoms correspond closely to predicted areas, showing the validity of the array and methodology.

Alba-domain proteins of Trypanosoma brucei are cytoplasmic RNA-binding proteins that interact with the translation machinery

Trypanosoma brucei and related pathogens transcribe most genes as polycistronic arrays that are subsequently processed into monocistronic mRNAs. Expression is frequently regulated post-transcriptionally by cis-acting elements in the untranslated regions (UTRs). GPEET and EP procyclins are the major surface proteins of procyclic (insect midgut) forms of T. brucei. Three regulatory elements common to the 3' UTRs of both mRNAs regulate mRNA turnover and translation. The glycerol-responsive element (GRE) is unique to the GPEET 3' UTR and regulates its expression independently from EP. A synthetic RNA encompassing the GRE showed robust sequence-specific interactions with cytoplasmic proteins in electromobility shift assays. This, combined with column chromatography, led to the identification of 3 Alba-domain proteins. RNAi against Alba3 caused a growth phenotype and reduced the levels of Alba1 and Alba2 proteins, indicative of interactions between family members. Tandem-affinity purification and co-immunoprecipitation verified these interactions and also identified Alba4 in sub-stoichiometric amounts. Alba proteins are cytoplasmic and are recruited to starvation granules together with poly(A) RNA. Concomitant depletion of all four Alba proteins by RNAi specifically reduced translation of a reporter transcript flanked by the GPEET 3' UTR. Pulldown of tagged Alba proteins confirmed interactions with poly(A) binding proteins, ribosomal protein P0 and, in the case of Alba3, the cap-binding protein eIF4E4. In addition, Alba2 and Alba3 partially cosediment with polyribosomes in sucrose gradients. Alba-domain proteins seem to have exhibited great functional plasticity in the course of evolution. First identified as DNA-binding proteins in Archaea, then in association with nuclear RNase MRP/P in yeast and mammalian cells, they were recently described as components of a translationally silent complex containing stage-regulated mRNAs in Plasmodium. Our results are also consistent with stage-specific regulation of translation in trypanosomes, but most likely in the context of initiation.

Life stage differences in mammary gland gene expression profile in non-human primates

Breast cancer (BC) is the most common malignancy of women in the developed world. To better understand its pathogenesis, knowledge of normal breast development is crucial, as BC is the result of disregulation of physiologic processes. The aim of this study was to investigate the impact of reproductive life stages on the transcriptional profile of the mammary gland in a primate model. Comparative transcriptomic analyses were carried out using breast tissues from 28 female cynomolgus macaques (Macaca fascicularis) at the following life stages: prepubertal (n = 5), adolescent (n = 4), adult luteal (n = 5), pregnant (n = 6), lactating (n = 3), and postmenopausal (n = 5). Mammary gland RNA was hybridized to Affymetrix GeneChip(®) Rhesus Macaque Genome Arrays. Differential gene expression was analyzed using ANOVA and cluster analysis. Hierarchical cluster analysis revealed distinct separation of life stage groups. More than 2,225 differentially expressed mRNAs were identified. Gene families or pathways that changed across life stages included those related to estrogen and androgen (ESR1, PGR, TFF1, GREB1, AR, 17HSDB2, 17HSDB7, STS, HSD11B1, AKR1C4), prolactin (PRLR, ELF5, STAT5, CSN1S1), insulin-like growth factor signaling (IGF1, IGFBP1, IGFBP5), extracellular matrix (POSTN, TGFB1, COL5A2, COL12A1, FOXC1, LAMC1, PDGFRA, TGFB2), and differentiation (CD24, CD29, CD44, CD61, ALDH1, BRCA1, FOXA1, POSTN, DICER1, LIG4, KLF4, NOTCH2, RIF1, BMPR1A, TGFB2). Pregnancy and lactation displayed distinct patterns of gene expression. ESR1 and IGF1 were significantly higher in the adolescent compared to the adult animals, whereas differentiation pathways were overrepresented in adult animals and pregnancy-associated life stages. Few individual genes were distinctly different in postmenopausal animals. Our data demonstrate characteristic patterns of gene expression during breast development. Several of the pathways activated during pubertal development have been implicated in cancer development and metastasis, supporting the idea that other developmental markers may have application as biomarkers for BC.

Identification of candidate genes and physiological pathways involved in gonad deformation in whitefish (Coregonus spp.) from Lake Thun, Switzerland

In 2000, fishermen reported the appearance of deformed reproductive organs in whitefish (Coregonus spp.) from Lake Thun, Switzerland. Despite intensive investigations, the causes of these abnormalities remain unknown. Using gene expression profiling, we sought to identify candidate genes and physiological processes possibly associated with the observed gonadal deformations, in order to gain insights into potential causes. Using in situ-synthesized oligonucleotide arrays, we compared the expression levels at 21,492 unique transcript probes in liver and head kidney tissue of male whitefish with deformed and normally developed gonads, respectively. The fish had been collected on spawning sites of two genetically distinct whitefish forms of Lake Thun. We contrasted the gene expression profiles of 56 individuals, i.e., 14 individuals of each phenotype and of each population. Gene-by-gene analysis revealed weak expression differences between normal and deformed fish, and only one gene, ictacalcin, was found to be up-regulated in head kidney tissue of deformed fish from both whitefish forms, However, this difference could not be confirmed with quantitative real-time qPCR. Enrichment analysis on the level of physiological processes revealed (i) the involvement of immune response genes in both tissues, particularly those linked to complement activation in the liver, (ii) proteolysis in the liver and (iii) GTPase activity and Ras protein signal transduction in the head kidney. In comparison with current literature, this gene expression pattern signals a chronic autoimmune disease in the testes. Based on the recent observations that gonad deformations are induced through feeding of zooplankton from Lake Thun we hypothesize that a xenobiotic accumulated in whitefish via the plankton triggering autoimmunity as the likely cause of gonad deformations. We propose several experimental strategies to verify or reject this hypothesis.