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During space missions astronauts suffer from cardiovascular deconditioning, when they are exposed to microgravity conditions. Until now, no specific drugs are available for effective countermeasures, since the underlying mechanism is not completely understood. Endothelial cells (ECs) and smooth muscle cells (SMCs) play crucial roles in a variety of cardiovascular functions, many of which are regulated via P2 receptors. However, their function in ECs and SMCs under microgravity condition is still unknown. In this study, ECs and SMCs were isolated from bovine aorta and differentiated from human mesenchymal stem cells (hMSCs), respectively. Subsequently, the cells were verified based on specific markers. An altered P2 receptor expression pattern was detected during the commitment of hMSC towards ECs and SMCs. The administration of natural and artificial P2 receptor agonists and antagonists directly affected the differentiation process. By using EC growth medium as conditioned medium, a vessel cell model was created to culture SMCs and vice versa. Within this study, we were able to show for the first time that the expression of some P2 receptors were altered in ECs and SMCs grown for 24h under simulated microgravity conditions. On the other hand, in some P2 receptor expressions such as P2X7 conditioned medium compensated this change.
In conclusion, our data show that P2 receptors play an important functional role in hMSC differentiation towards ECs and SMCs. Since some P2 receptor artificial ligands are already used as drugs for patients with cardiovascular diseases, it is reasonable to assume that in the future they might be promising candidates for treating cardiovascular deconditioning.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst neuartige ionische Agarosederivate synthetisiert und anschließend umfassend charakterisiert. Anionische Agarosesulfate mit einer regioselektiven Derivatisierung in Position G6 wurden durch homogene Umsetzung in ionischer Flüssigkeit erhalten. Kationische Agarosecarbamate mit einstellbarem Funktionalisierungsgrad waren durch einen zweistufigen Syntheseansatz zugänglich. Hierzu wurden zunächst Agarosephenylcarbonate in einer homogenen Synthese hergestellt, im Anschluss folgte eine Aminolyse zu den gewünschten funktionalen Agarosederivaten. Die ionischen Agarosederivate waren bereits bei geringen Funktionalisierungsgraden vollständig löslich in Wasser. Damit war es möglich, Alginatmikrokapseln polyelektrolytisch zu beschichten und diese als Träger für eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung zu verwenden. Ebenfalls konnten Kompositgele aus Agarose, Hydroxyapatit und Agarosederivaten hergestellt und charakterisiert werden. Im zweiten Teil wurden sowohl die Kompositträgermaterialien als auch die Alginatmikrokapseln mit vier verschiedenen Modellwirkstoffen (ATP, Suramin, Methylenblau und A740003) beladen und die Wirkstofffreisetzung über einen Zeitraum von zwei Wochen untersucht. Für die ionischen Modellwirkstoffe erwiesen sich Kompositträgermaterialien mit ionischem Agarosederivat, die beschichteten Mikrokapseln sowie die Kombination aus Komposit und Kapseln als effektiv, um die Freisetzung auf bis zu 40% zu verlangsamen. Für die schlecht wasserlösliche Substanz A740003, ein Rezeptorligand für die osteogene Differenzierung von Stammzellen, wurde eine stark verzögerte Freisetzung aus Polyelektrolytemikrokapseln festgestellt. Mithilfe von literaturbekannten und neu entwickelten Anpassungsmodellen gelang es, die Diffusion als Hauptmechanismus der Wirkstofffreisetzung zu identifizieren und die Freisetzungskurven mathematisch akkurat zu beschreiben und daraus Rückschlüsse über die einzelnen Phasen der Freisetzung zu ziehen.
Gegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen zur Detektion von verpackten Gefahrstoffen wie beispielsweise Explosivstoffen. Hierzu wird in einem ersten Schritt die Verpackung mittels Laserbohrens durchdrungen, um anschließend den nun freiliegenden Gefahrstoff nachweisen zu können. Dies geschieht einerseits durch eine lasergestützte Probenahme und anschließende Detektion mit gängigen chemisch-analytischen Verfahren sowie direkt bei der Wechselwirkung zwischen Laser und Gefahrstoff mittels Ramanspektroskopie. Zudem werden schnelle in situ-Techniken im Hinblick auf ihre Eignung zur Überwachung des Laserbohrprozesses untersucht. Hier werden kostengünstige und kompakte Sensortechniken (Messung der Prozessgase durch Halbleitergassensoren, Messung des Luftschalls mittels Kondensatormikrofon) mit aufwendigeren und komplexeren spektroskopischen Verfahren (Plasma- und Ramanspektroskopie) bewertend verglichen. Anhand ausgewählter Modellsysteme in verkleinertem Maßstab werden die unterschiedlichen Verfahren unter Verwendung gängiger Verpackungs- und Hüllenmaterialien sowie anhand ausgewählter Explosivstoffe charakterisiert. Für das Laserverfahren kommen gepulste Nd:YAG Laser mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen zum Einsatz.
In forensic DNA profiling, the occurrence of complex mixed profiles is currently a common issue. Cases involving intimate swabs or skin flake tape liftings are prone to mixed profiles, because of more than one donor contributing to a DNA sample. By DNA profiling of single spermatozoa and skin flakes, problems associated with mixed profile could ideally be overcome. However, PCR is not a sensitive enough method to generate DNA profiles by STRs on single cells. Moreover, high quality intact DNA is required, but is not always available in skin flakes due to degradation. Additionally, single skin flakes are difficult to discriminate from other similar looking particles on tape liftings used to secure DNA samples from evidence. The main purpose of this study was to develop a method that enables DNA profiling of single sperm cells and skin flakes. After studying multiple whole genome amplification (WGA) protocols, REPLI-g Single Cell WGA was selected due to its suitability in the pre-amplification step of template DNA. Micromanipulation was used to isolate single spermatozoa. Furthermore, micromanipulation in combination with REPLI-g Single Cell WGA resulted in successful DNA profiling of single spermatozoa by using autosomal STRs as well as X- and Y-chromosomal STRs. The single spermatozoa DNA profiling method described in this thesis was successfully used to identify male contributors from mock intimate swabs with a mixture of semen from multiple male contributors. Different dyes were analysed to develop a staining method to discriminate skin flakes from other particles including particles such as those from hair cosmetic products. From all dyes tested, Orange G was the only dye which successfully discriminated skin flakes from hair product particles. Also, an alkaline based lysis protocol was developed that allowed PCR to be carried out directly on the lysates of single skin flakes. Furthermore, REPLI-g Single Cell WGA was tested on single skin flakes. In contrast to the single spermatozoa, REPLI-g Single Cell WGA was not successful in DNA profiling of single skin flakes. The single skin flake DNA profiling method described in this thesis was successfully used in correctly identifying contributors from mock mixed DNA evidence. Additionally, a small amplicon-based NGS method was tested on single skin flakes. Compared to the PCR and CE approach, the small amplicon-based NGS method improved DNA profiling of single skin flakes, giving a significant increase in allele recovery. In conclusion, this study shows circumventing mixtures is possible by DNA profiling of single spermatozoa, using micromanipulation and WGA. Furthermore, DNA profiling of single skin flakes has been improved by the staining of tape liftings methodology with Orange G, alkaline lysis, direct-PCR and a small amplicon-based NGS approach. Nonetheless, future work is required to assess the performance of the single spermatozoa method on mock swabs with more diluted semen. Also, commercially available NGS kits should be tested with single skin flakes and compared with the in-house NGS method.
In this doctoral thesis the curing process of visible light-curing (VLC) dental composites and 3D printing rapid prototyping (RP) materials are investigated with the focus on dielectric analysis (DEA). This method is able to monitor the curing of resins in an alternating electric fringe field with adjustable frequencies and is often used for cure control of composites manufacturing in the aviation and automotive industry but hardly established in dental science or RP method development. It is capable of investigating very fast initiation and primary curing processes using high frequencies in the kHz-range. The aim of the Thesis is a better understanding of the curing processes with respect to curing parameters such as resin composition, viscosity, temperature, and for light-curing composites also light intensity and irradiation depth. Due to the nature of both dental and RP systems an application of specific experimental set-up had to be designed allowing for the generation of reproducible and valid results. Subsequently, different evaluation methods were developed to characterize the curing behavior of both material types. A special focus was paid to the determination of kinetic parameters from DEA measurements. Reaction rates of the curing of the corresponding thermosets were calculated and applied to the ion viscosity curves measured by DEA to evaluate reaction kinetic parameters. For the dental composites it could be clearly shown that the initial curing rate is directly proportional to light intensity and not to its square root as proposed by many others authors. A good description of the curing behaviour of 3DP RP materials was also achieved assuming a reaction order smaller than one. This data provides the base for the kinetic modeling of polymerization and curing processes proposed within the Thesis.
The human enzymes GLYAT (glycine N-acyltransferase), GLYATL1 (glutamine N-phenylacetyltransferase) and GLYATL2 (glycine N-acyltransferase-like protein 2) are not only important in the detoxification of xenobiotics via the human liver, but are also involved in the elimination of acyl residues that accumulate in the form of their coenzyme A (coA) esters in some rare inborn errors of metabolism. This concerns, for example, disorders in the degradation of branched-chain amino acids, such as isovaleric acidemia or propionic acidemia. In addition, they also assist in the elimination of ammonium, which is produced during the transamination of amino acids and accumulates in urea cycle defects. Sequence variants of the enzymes have also been investigated, which may provide evidence of impaired enzyme activities, from which therapy adjustments can potentially be derived. A modified Escherichia coli strain was chosen for the overexpression and partial biochemical characterization of the enzymes, which may allow solubility and proper folding. Since post-translational protein modifications are very limited in bacteria, we also attempted to overexpress the enzymes in HEK293 cells (human-derived). In addition to characterization via immunoblots and activity assays, intracellular localization of the enzymes was also performed using GFP coupling and confocal laser scanning microscopy in transfected HEK293 cells. The GLYATL2 enzyme may have tasks beyond detoxification and metabolic defects and the preliminary molecular biology work has been performed as part of this project - the enzyme activity determinations were outsourced to a co-supervised bachelor thesis. The enzyme activity determinations with purified recombinant human enzyme from Escherichia coli provided a threefold higher activity of the sequence variant p.(Asn156Ser) for GLYAT, which should be considered as the probably authentic wild type of the enzyme. In addition, a reduced activity of the GLYAT variant p.(Gln61Leu), which is very common in South Africa, was shown, which could be of particular importance in the treatment of isovaleric acidemia, which is also common in South Africa. Intracellularly, GLYAT and GLYATL1 could be localized mitochondrially. As the analyses have shown, sequence variations of GLYAT and GLYATL1 influence their enzyme activity. As an example, the GLYAT variant p.(Gln61Leu) is frequently found in South Africa. In the case of reduced GLYAT activity, patients could be increasingly treated with L-carnitine in the sense of an individualized therapy, since the conjugation of the toxic isovaleryl-coA with glycine is restricted by the GLYAT sequence variation. Activity-reducing variants identified in this project are of particular interest, as they may influence the treatment of certain metabolic defects.
Lignin ist ein aromatisches Biopolymer, das in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt. Es ist hauptsächlich aus drei sogenannten Monolignolen (p-Hydroxyphenyl (H), Guajakol (G) und Syringol (S)) aufgebaut, die über verschiedene Bindungen miteinander verknüpft sein können, und enthält eine Vielzahl an funktionellen Gruppen. Interessant für die Verwendung von Lignin sind dabei insbesondere die vielen phenolischen Hydroxygruppen, die als Ausgangsstoff bei der Synthese neuer Produkte dienen können, daneben aber auch für seine antioxidativen Eigenschaften verantwortlich sind. Da Struktur und Eigenschaften von vielen Faktoren wie Biomasse und Aufschlussprozess abhängen, ist eine detaillierte Charakterisierung der Lignine nötig, um Struktur-Eigenschafts-Beziehungen aufzuklären und so einen Schritt näher an eine mögliche stoffliche Nutzung zu kommen. Mit dieser Arbeit soll der Einfluss der Biomasse inklusive der verwendeten Partikelgröße sowie des Organosolv-Aufschlussprozesses auf die Monomerzusammensetzung, das Molekulargewicht und die Antioxidanz der isolierten Lignine untersucht werden.
Als Rohstoffe zur Ligningewinnung dienen die drei mehrjährigen lignocellulosereichen Low-Input-Pflanzen Miscanthus x giganteus, Silphium perfoliatum und Paulownia tomentosa, die momentan hauptsächlich zur Energiegewinnung genutzt werden. Im Rahmen der Bioökonomiestrategie der Europäischen Union soll der Schwerpunkt zukünftiger Bioraffinerien jedoch auf eine ganzheitliche Nutzung von Biomassen gelegt und so auch die stoffliche Nutzung fokussiert werden. Zusätzlich zu diesen drei Pflanzen werden auch Organosolv-Lignine aus den in der Literatur bereits gut beschriebenen Biomassen Weizenstroh und Buchenholz isoliert, und zwei Nadelholz-Kraft-Lignine als Vergleich herangezogen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Art der Biomasse hauptsächlich die Monomerzusammensetzung beeinflusst: Gräser bestehen aus allen drei Monolignolen, Laubhölzer mehrheitlich aus S- und G-Einheiten, während Nadelhölzer nur aus G-Einheiten aufgebaut sind. Die Holzlignine besitzen zudem höhere Molekulargewichte sowie bessere antioxidative Eigenschaften als die Gras- und Krautlignine. Mit der feineren Vermahlung der Biomasse kann die Monomerzusammensetzung beeinflusst werden: der Einsatz kleinerer Partikelgrößen führt zu Ligninen mit einem höheren Gehalt an H-Einheiten, sowohl für Miscanthus als auch für Paulownia. Außerdem kann bei Paulownia die Ausbeute gesteigert und eine Zunahme des Molekulargewichtes beobachtet werden, wenn die kleinste Siebfraktion für den Organosolv-Aufschluss verwendet wird. Einen größeren Einfluss als der Mahlgrad der Biomasse haben die Autohydrolyse sowie der Organosolv-Aufschlussprozess selbst. Die Monomerzusammensetzung ändert sich aufgrund derselben Biomasse zwar kaum, die Bindungstypen zwischen den Monolignolen dagegen schon. Mit höherer Prozessstärke (Zeit, Temperatur, Ethanol-Konzentration) werden Etherbindungen gespalten, was den Anteil an phenolischen Hydroxygruppen und somit die Antioxidanz erhöht. Neben dieser Depolymerisation werden partiell auch Rekondensationsreaktionen beobachtet.
Die erzielten Ergebnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Ligninquelle und -gewinnung mit der daraus resultierenden Ligninstruktur und Antioxidanz und bieten damit eine Grundlage für den Wandel von der energetischen hin zu einer nachhaltigen stofflichen Nutzung dieses nachwachsenden Biopolymers. Gerade über die Wahl der Aufschlussparameter können Struktur und Antioxidanz gezielt beeinflusst werden, was in zukünftigen Studien weiter fokussiert werden sollte.
Process-dependent thermo-mechanical viscoelastic properties and the corresponding morphology of HDPE extrusion blow molded (EBM) parts were investigated. Evaluation of bulk data showed that flow direction, draw ratio, and mold temperature influence the viscoelastic behavior significantly in certain temperature ranges. Flow induced orientations due to higher draw ratio and higher mold temperature lead to higher crystallinities. To determine the local viscoelastic properties, a new microindentation system was developed by merging indentation with dynamic mechanical analysis. The local process-structure-property relationship of EBM parts showed that the cross-sectional temperature distribution is clearly reflected by local crystallinities and local complex moduli. Additionally, a model to calculate three-dimensional anisotropic coefficients of thermal expansion as a function of the process dependent crystallinity was developed based on an elementary volume unit cell with stacked layers of amorphous phase and crystalline lamellae. Good agreement of the predicted thermal expansion coefficients with measured ones was found up to a temperature of 70 °C.
Traditional and newly developed testing methods were used for extensive application-related characterization of transdermal therapeutic systems (TTS) and pressure sensitive adhesives (PSA). Large amplitude oscillatory shear tests of PSAs were correlated to the material behavior during the patient’s motion and showed that all PSAs were located close to the gel point. Furthermore, an increasing strain amplitude results in stretching and yielding of the PSA´s microstructure causing a consolidation of the network and a release with increasing strain amplitude. RheoTack approach was developed to allow for an advanced tack characterization of TTS with visual inspection. The results showed a clear resin content and rod geometry dependent behavior, and displays the PSA´s viscoelasticity resulting in either high tack and long stretched fibrils or non-adhesion and brittle behavior. Moreover, diffusion of water / sweat during TTS´s application might influence its performance. Therefore, a dielectric analysis based evaluation method displayed occurring water diffusion into the PSA from which the diffusion coefficient can be determined, and showed clear material and resin content dependent behavior. All methods allow for an advanced product-oriented material testing that can be utilized within further TTS development.