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Characterization of neuronal activity in the auditory brainstem of rats: An optical imaging approach
(2004)
In this doctoral thesis, several aspects of neuronal activity in the rat superior olivary complex (SOC), an auditory brainstem structure, were analyzed using optical imaging with voltage-sensitive dyes (VSD). The thesis is divided into 5 Chapters. Chapter 1 is a general introduction, which gives an overview of the auditory brainstem and VSD imaging. In Chapter 2, an optical imaging method for the SOC was standardized, using the VSD RH795. To do so, the following factors were optimized: (1) An extracellular potassium concentration of 5 mM is necessary during the incubation and recording to observe synaptically evoked responses in the SOC. (2) Employing different power supplies reduced the noise. (3) Averaging of 10 subsequent trials yielded a better signal-to-noise ratio. (4) RH795 of 100 µM with 50 min prewash was optimal to image SOC slices for more than one hour. (5) Stimulus-evoked optical signals were TTX sensitive, revealing action potential-driven input. (6) Synaptically evoked optical signals were characterized to be composed of pre- and postsynaptic components. (7) Optical signals were well correlated with anatomical structures. Overall, this method allows the comparative measurement of electrical activity of cell ensembles with high spatio-temporal resolution. In Chapter 3, the nature of functional inputs to the lateral superior olive (LSO), the medial superior olive (MSO), and the superior paraolivary nucleus (SPN) were analyzed using the glycine receptor blocker strychnine and the AMPA/kainate receptor blocker CNQX. In the LSO, the known glutamatergic inputs from the ipsilateral, and the glycinergic inputs from the ipsilateral and contralateral sides, were confirmed. Furthermore, a CNQX-sensitive input from the contralateral was identified. In the MSO, the glutamatergic and glycinergic inputs from the ipsilateral and contralateral sides were corroborated. In the SPN, besides the known glycinergic input from the contralateral, I found a glycinergic input from the ipsilateral and I also identified CNQX-sensitive inputs from the contralateral and ipsilateral sides. Together, my results thus corroborate findings obtained with different preparations and methods, and provide additional information on the pharmacological nature of the inputs. In Chapter 4, the development of glycinergic inhibition for the LSO, the MSO, the SPN, and the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB) was studied by characterizing the polarity of strychnine-sensitive responses. In the LSO, the high frequency region displayed a shift in the polarity at P4, whereas the low frequency region displayed at P6. In the MSO, both the regions displayed the shift at P5. The SPN displayed a shift in the polarity at E18-20 without any regional differences. The MNTB lacked a shift between P3-10. Together, these results demonstrate a differential timing in the development of glycinergic inhibition in these nuclei. In Chapter 5, the role of the MSO in processing bilateral time differences (t) was investigated. This was done by stimulating ipsilateral and contralateral inputs to the MSO with different t values. In preliminary experiments, the postsynaptic responses showed a differential pattern in the spread of activity upon different t values. This data demonstrates a possible presence of delay lines as proposed by Jeffress in the interaural time difference model of sound localization. In conclusion, this study demonstrates the usage of VSD imaging to analyze the neuronal activity in auditory brainstem slices. Moreover, this study expands the knowledge of the inputs to the SOC, and has identified one glycinergic and three AMPA/kainate glutamatergic novel inputs to the SOC nuclei.
The present thesis deals with a novel air interface concept for beyond 3G mobile radio systems. Signals received at a certain reference cell in a cellular system which originate in neighboring cells of the same cellular system are undesired and constitute the intercell interference. Due to intercell interference, the spectrum capacity of cellular systems is limited and therefore the reduction of intercell interference is an important goal in the design of future mobile radio systems. In the present thesis, a novel service area based air interface concept is investigated in which interference is combated by joint detection and joint transmission, providing an increased spectrum capacity as compared to state-of-the-art cellular systems. Various algorithms are studied, with the aid of which intra service area interference can be combated. In the uplink transmission, by optimum joint detection the probability of erroneous decision is minimized. Alternatively, suboptimum joint detection algorithms can be applied offering reduced complexity. By linear receive zero-forcing joint detection interference in a service area is eliminated, while by linear minimum mean square error joint detection a trade-off is performed between interference elimination and noise enhancement. Moreover, iterative joint detection is investigated and it is shown that convergence of the data estimates of iterative joint detection without data estimate refinement towards the data estimates of linear joint detection can be achieved. Iterative joint detection can be further enhanced by the refinement of the data estimates in each iteration. For the downlink transmission, the reciprocity of uplink and downlink channels is used by joint transmission eliminating the need for channel estimation and therefore allowing for simple mobile terminals. A novel algorithm for optimum joint transmission is presented and it is shown how transmit signals can be designed which result in the minimum possible average bit error probability at the mobile terminals. By linear transmit zero-forcing joint transmission interference in the downlink transmission is eliminated, whereas by iterative joint transmission transmit signals are constructed in an iterative manner. In a next step, the performance of joint detection and joint transmission in service area based systems is investigated. It is shown that the price to be paid for the interference suppression in service area based systems is the suboptimum use of the receive energy in the uplink transmission and of the transmit energy in the downlink transmission, with respect to the single user reference system. In the case of receive zero-forcing joint detection in the uplink and transmit zero-forcing joint transmission in the downlink, i.e., in the case of linear unbiased data transmission, it is shown that the same price, quantified by the energy efficiency, has to be paid for interference elimination in both uplink and downlink. Finally it is shown that if the system load is fixed, the number of active mobile terminals in a SA and hence the spectrum capacity can be increased without any significant reduction in the average energy efficiency of the data transmission.
Entwurf und Optimierung neuer Versuchsanordnungen zur Charakterisierung der Haftung an Grenzflächen
(2004)
Die Beurteilung der mechanischen Haftungsqualität an Grenzflächen ist eine entscheidende Voraussetzung zur aktiven Gestaltung von heterogenen Werkstoffen. Die vorliegende Arbeit zeigt neue Wege für den Entwurf und die Optimierung der dazu nötigen Testverfahren auf. Ausgehend von der zu messenden Größe muß eine Versuchsanordnung
oder eine Probengeometrie entworfen werden, die aufgrund ihrer Konzeption die zu einer verläßlichen Messung notwendigen Voraussetzungen schafft. Mit Hilfe von numerischen Verfahren können auch komplizierte Probengeometrien analysiert und optimiert und die Anwendbarkeit von einfachen Auswerteverfahren überprüft werden.
Ziel ist eine einfache Formel zur Auswertung, die die komplizierte Geometrie nur in Form von einmalig zu bestimmenden Formfaktoren enthält.
Diese Grundidee wird in der vorliegenden Arbeit anhand von drei verschiedenen Versuchsanordnungen ausgeführt, jede wird umfassend analysiert und auch experimentell auf ihre Durchführbarkeit überprüft.
Ausgehend vom BROUTMAN-Versuch (Faser-Matrix-Grenzfläche) beschreibt Kapitel 2 eine Probengeometrie, die eine homogene Grenzflächenbelastung durch eine geeignete Kerbung der Probe aus der äußeren Zugbelastung erzeugt. Die gleichförmige Zugbelastung ist die Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Festigkeitskonzeptes.
Zur Berechnung der Festigkeit aus den experimentellen Daten wird eine Näherungsformel abgeleitet, die die Probengeometrie nur als Formfaktoren enthält. Die optimale Probengeometrie und die zugehörigen Formfaktoren folgen aus einer Parameterstudie mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente.
Ein experimenteller Vergleich des ursprünglichen BROUTMAN-Versuchs mit dem vorgeschlagenen Zugversuch zeigt die prinzipielle Anwendbarkeit der Versuchsanordungen und des Festigkeitskonzeptes. Der Vergleich stützt weiterhin das Gesamtkonzept, denn die Herstellung der Probenkörper beider Versuchstypen erfolgt sehr ähnlich,während die Grenzflächenbelastung auf sehr unterschiedliche Weise erzeugt wird. Sie stellen deshalb zwei verschiedene Methoden zur Messung derselben Größe dar. In einer zweiseitig gekerbten Zugprobe entsteht durch die Kerbe eine Zugspannung quer zur Hauptbelastungsrichtung. Besteht der Probenkörper aus zwei einseitig gekerbten, beispielsweise durch Kleben zusammengefügten Hälften, so entsteht ebenfalls eine gleichförmige Zugbelastung eines ausgedehnten Bereiches der Grenzfläche.
Diese Idee wird im Kapitel 3 anhand einer Meßreihe aus gleichen Hälften untersucht.
Ein Finite-Elemente-Modell dient außerdem dazu, die optimale Geometrie für einen Probenkörper aus zwei einseitig gekerbten Teilen verschiedenen Materials zu ermitteln.
Es zeigt auch einen weiteren Vorteil dieser Probenform, denn plastische Deformationen beginnen stets im Kerbgrund, nicht an der Grenzfläche. Plastizität beeinflußt die Ergebnisse deshalb weniger, sie bleiben vergleichbar, auch wenn bei einigen Materialsystemen
teilweise plastische Deformationen auftreten.
Treten dagegen vor dem Grenzflächenversagen ausgedehnte plastische Deformationen in der Umgebung der Grenzfläche auf, so entsteht dadurch ein komplexer Spannungszustand, dem das Festigkeitskonzept kaum Rechnung tragen kann. Weiterhin erfolgt Versagen dann zumeist als fortschreitender Riß, so daß ein bruchmechanisches Konzept unumgänglich ist. In dieser Situation wird bei Proben aus homogenem Material mit Anfangsriß das Konzept der realen Brucharbeit bereits erfolgreich angewendet.
Dieses Konzept beschreibt aber auch zufriedenstellend das Versagen von Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien, wie anhand einer Versuchsreihe und umfangreichen numerischen Rechnungen im Kapitel 4 gezeigt wird. Das numerische Modell umfaßt ein elastisch-plastisches Materialgesetz mit Verfestigung, Rißausbreitung unter Belastung und ein an die Energiefreisetzungsrate angelehntes Energie-Kriterium
zur Simulation des Rißwachstums. Es geht damit weit über die meisten aus der Literatur bekannten Simulationen hinaus.
The hypoxia inducible factor-1 (HIF-1), a heterodimer composed of HIF-1alpha and HIF-1beta, is activated in response to low oxygen tension and serves as the master regulator for cells to adapt to hypoxia. HIF-1 is usually considered to be regulated via degradation of its a-subunit. Recent findings, however, point to the existence of alternative mechanisms of HIF-1 regulation which appear to be important for down-regulating HIF-1 under prolonged and severe oxygen depletion. The aims of my Ph.D. thesis, therefore, were to further elucidate mechanisms involved in such down-regulation of HIF-1. The first part of the thesis addresses the impact of the severity and duration of oxygen depletion on HIF-1alpha protein accumulation and HIF-1 transcriptional activity. A special focus was put on the influence of the transcription factor p53 on HIF-1. I found that p53 only accumulates under prolonged anoxia (but not hypoxia), thus limiting its influence on HIF-1 to severe hypoxic conditions. At low expression levels, p53 inhibits HIF-1 transactivity. I attributed this effect to a competition between p53 and HIF-1alpha for binding to the transcriptional co-factor p300, since p300 overexpression reverses this inhibition. This assumption is corroborated by competitive binding of IVTT-generated p53 and HIF-1alpha to the CH1-domain of p300 in vitro. High p53 expression, on the other hand, affects HIF-1alpha protein negatively, i.e., p53 provokes pVHL-independent degradation of HIF-1alpha. Therefore, I conclude that low p53 expression attenuates HIF-1 transactivation by competing for p300, while high p53 expression negatively affects HIF-1alpha protein, thereby eliminating HIF-1 transactivity. Thus, once p53 becomes activated under prolonged anoxia, it contributes to terminating HIF-1 responses. In the second part of my study, I intended to further characterize the effects induced by prolonged periods of low oxygen, i.e., hypoxia, as compared to anoxia, with respect to alterations in HIF-1alpha mRNA. Prolonged anoxia, but not hypoxia, showed pronounced effects on HIF-1alpha mRNA. Long-term anoxia induced destabilization of HIF-1alpha mRNA, which manifests itself in a dramatic reduction of the half-life. The mechanistic background points to natural anti-sense HIF-1alpha mRNA, which is induced in a HIF-1-dependent manner, and additional factors, which most likely influence HIF-1alpha mRNA indirectly via anti-sense HIF-1alpha mRNA mediated trans-effects. In summary, the data provide new information concerning the impact of p53 on HIF-1, which might be of importance for the decision between pro- and anti-apoptotic mechanisms depending upon the severity and duration of hypoxia. Furthermore, the results of this project give further insights into a novel mechanism of HIF-1 regulation, namely mRNA down-regulation under prolonged anoxic incubations. These mechanisms appear to be activated only in response to prolonged anoxia, but not to hypoxia. These considerations regarding HIF-1 regulation should be taken into account when prolonged incubations to hypoxic or anoxic conditions are analyzed at the level of HIF-1 stability regulation.
In the filling process of a car tank, the formation of foam plays an unwanted role, as it may prevent the tank from being completely filled or at least delay the filling. Therefore it is of interest to optimize the geometry of the tank using numerical simulation in such a way that the influence of the foam is minimized. In this dissertation, we analyze the behaviour of the foam mathematically on the mezoscopic scale, that is for single lamellae. The most important goals are on the one hand to gain a deeper understanding of the interaction of the relevant physical effects, on the other hand to obtain a model for the simulation of the decay of a lamella which can be integrated in a global foam model. In the first part of this work, we give a short introduction into the physical properties of foam and find that the Marangoni effect is the main cause for its stability. We then develop a mathematical model for the simulation of the dynamical behaviour of a lamella based on an asymptotic analysis using the special geometry of the lamella. The result is a system of nonlinear partial differential equations (PDE) of third order in two spatial and one time dimension. In the second part, we analyze this system mathematically and prove an existence and uniqueness result for a simplified case. For some special parameter domains the system can be further simplified, and in some cases explicit solutions can be derived. In the last part of the dissertation, we solve the system using a finite element approach and discuss the results in detail.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen die Synthese und Charakterisierung neuartiger basischer Feststoffkatalysatoren. Für die Herstellung dieser neuen Materialien wurden Zeolithe, mesoporöse Molekularsiebe sowie mikroporöse und amorphe Aluminiumphosphate bei Temperaturen von 700 °C bis 850 °C im Ammoniakstrom behandelt. Die Charakterisierung erfolgte mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Stickstoffadsorption, Thermogravimetrie/Massenspektrometrie, temperaturprogrammierter Desorption von Pyrrol und DRIFT-spektroskopischen Untersuchungen. Die katalytischen Eigenschaften wurden mit der Knoevenagel-Kondensation von Benzaldehyd mit Malonsäuredinitril bzw. Cyanessigsäureethylester sowie der Umsetzung von Limonen in der Gasphase getestet. Als Referenzmaterial wurde Zeolith NaY, der mit verschiedenen Kationen ausgetauscht bzw. mit Cäsiumacetat imprägniert wurde, verwendet. Sowohl die Röntgen-Pulverdiffraktogramme als auch die Bestimmung der spezifischen Oberflächen durch Stickstoffadsorption ergaben, dass nach der Ammoniakbehandlung die Struktur der verwendeten Katalysatoren im Wesentlichen erhalten blieb. Anhand von DRIFT-Spektren, die während der Ammoniakbehandlung aufgenommen wurden, konnte nachgewiesen werden, dass ein Einbau von Stickstoff in die Gerüste der Zeolithe, mesoporösen Molekularsiebe und Aluminiumphosphate erfolgte. Mit Hilfe der temperaturprogrammierten Desorption von Pyrrol konnten verschiedene basische Zentren bei den einzelnen Katalysatoren detektiert werden. Durch die Nitridierung wurde bei fast allen Katalysatoren eine Veränderung der Adsorptionseigenschaften von Pyrrol gemessen, die auf eine größere Anzahl bzw. auf stärker basische Zentren hindeutet. IR-spektroskopische Untersuchungen zur Adsorption von Pyrrol zeigten, dass die Ammoniakbehandlung zu einer Zunahme der Stärke von basischen Zentren führt. Die katalytischen Tests in der Knoevenagel-Kondensation ergaben, dass in fast allen Fällen eine Aktivitätssteigerung des ammoniakbehandelten Katalysators im Vergleich zum unbehandelten Ausgangsmaterial erfolgte. Die Aktivität ist dabei abhängig von den Modifizierungsbedingungen wie z.B. Behandlungsdauer und Behandlungstemperatur, aber auch von den Lagerungsbedingungen. Als weitere Testreaktion wurde die Umsetzung von Limonen gewählt. Anhand von mit Alkalimetall ausgetauschten Zeolithen mit FAU-Struktur konnte gezeigt werden, dass die p-Cymol-Ausbeute ein Maß für die Basizität der Katalysatoren ist. Bei fast allen Katalysatoren wurde eine Steigerung der p-Cymol-Ausbeute infolge der Ammoniakbehandlung gefunden. Neben dem Si:Al-Verhältnis spielen auch die Gegenionen und die Anzahl von Silanolgruppen eine entscheidende Rolle.
Die Nähtechnik in Verbindung mit Harzinfusions- und -injektionstechniken eröffnet
ein erhebliches Gewichts- und Kosteneinsparpotential primär belasteter
Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen. Dabei ist es unter
bestimmten Voraussetzungen möglich, durch Vernähungen gezielte Steigerungen
mechanischer Eigenschaften zu erreichen. Ein genaues Verständnis wirksamer
Zusammenhänge bezüglich der Änderung mechanischer Kennwerte verglichen mit
dem unvernähten Verbund ist unverzichtbar, um einen Einsatz dieser Technologie im
zivilen Flugzeugbau voranzubringen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine breit angelegte experimentelle Parameterstudie
zum Einfluss verschiedener Nähparameter auf Scheiben-Elastizitäts- und
Festigkeitseigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidharzverbunden unter
Zug- und Druckbelastung durchgeführt. Neben der Stichrichtung, der Garnfeinheit,
dem Nahtabstand und der Stichlänge wurde auch die Belastungsrichtung variiert. Bei
einigen Parametereinstellungen konnten keine Änderungen des Elastizitätsmoduls
oder der Festigkeit in der Laminatebene festgestellt werden, wohingegen in anderen
Fällen Reduktionen oder Steigerungen um bis zu einem Drittel des Kennwerts des
unvernähten Laminats beobachtet wurden. Dabei ist vor allem der Einfluss der
Garnfeinheit dominierend.
Die Fehlstellenausbildung infolge eines Stichs in Abhängigkeit der gewählten
Parameter und der Orientierung der Einzelschicht wurde anhand von Schliffbildern in
der Laminatebene untersucht. Ein erheblicher Einfluss der einzelnen Parameter auf
die Fehlstellenausbildung ist festzustellen, wobei wiederum die Garnfeinheit
dominiert. Anhand der Ergebnisse der Auswertung der Fehlstellenausbildung in den
Einzelschichten wurde ein empirisches Modell generiert, womit charakteristische
Fehlstellengröße n wie die Querschnittsfläche, die Breite und die Länge in
Abhängigkeit der genannten Parameter berechnet werden können.
Darauf aufbauend wurde ein Finite-Elemente-Elementarzellenmodell generiert, mit
welchem Scheiben-Elastizitätsgrößen vernähter Laminate abgeschätzt werden
können. Neben der Berücksichtigung der genannten Nähparameter ist der zentrale
Aspekt hierbei die Beschreibung eines Stichs in Form von Reinharzgebiet und
Faserumlenkungsbereich in jeder Einzelschicht.
Stitching technology in combination with Liquid Composite Molding techniques offers
a possibility to reduce significantly weight and costs of primarily loaded structural
parts made of Fiber Reinforced Polymers. Thereby, it is possible to enhance
mechanical properties simultaneously. It is essential to understand effective
correlations of all important parameters concerning changes in mechanical
characteristics due to additional stitching if stitching technologies have to be
established in the civil aircraft industry.
In this thesis, a broad experimental study on the influence of varying stitching
parameters on the membrane tensile and compressive modulus and strength of
carbon fiber reinforced epoxy laminates is presented. The direction of stitching,
thread diameter, spacing and pitch length as well as the direction of testing had been
varied. In some cases, no changes in modulus and strength could be found due to
the chosen parameters, whereas in other cases reductions or enhancements of up to
30 % compared to the unstitched laminate were observed. Thereby, the thread
diameter shows significant influence on these changes in mechanical properties.
In addition, the stitch and void formation in the thickness direction due to the stitching
parameters was investigated by evaluating micrographs in each layer of the laminate.
Again, the thread diameter showed an outstanding influence on the characteristics of
matrix pure area (void) and fiber disorientation. A mathematical model was evaluated
in order to predict in-plane characteristics of stitches and voids, from which the cross
sectional area, the width and the length of a void due to the chosen stitching
parameters can be derived.
Finally, a Finite Element based unit cell model was established to calculate elastic
constants of stitched FRP laminates. With this model it is possible to consider a stitch
as a matrix pure region and additionally an area of in-plane fiber disorientation
depending on the stitching parameters as introduced above. The model was
validated using the experimental data for tensile and compressive loading.
The outstanding flexibility of this FE unit cell approach is shown in a parametric
study, where different void formations as well as stitching parameters were varied in
a stitched, unidirectional laminate. It was found that three different aspects influence
significantly the in-plane elastic constants of stitched laminates. First of all, the
stitching parameters as well as the laminate characteristics define the shape of the
unit cell including the areas of the stitch and the fiber disorientation. Secondly,
stitching changes the fiber volume fraction in all layers, which causes changes in
elastic properties as well. Thirdly, the type and the direction of loading has to be
considered, because each change in the architecture of the laminate results in
different effects on the in-plane elastic constants namely tensile, compressive or
shear moduli as well as the Poisson´s ratios.
L1 ist ein neuronales Adhäsionsmolekül, das neben Zellen des Nervensystems auf vielen humanen Tumorlinien exprimiert wird. Zusätzlich zu seiner Funktion als Oberflächenmolekül wird L1 durch membranproximale Spaltung in eine lösliche Form überführt, die funktionell aktiv ist. Bei diesem Prozess ist die Metalloproteinase ADAM10 beteiligt. In Tumoren der Ovarien und des Uterus ist die Expression von L1 mit einem fortgeschrittenen Stadium der Erkrankung assoziiert. Das L1-Spaltfragment kann in Tumorlysaten detektiert werden, außerdem korreliert die Anwesenheit von ADAM10 im Tumorgewebe mit löslichem L1 im Serum der Patientinnen. L1 und ADAM10 sind teilweise mit Lipid Rafts assoziiert und kolokalisieren darüber hinaus im Golgi/TGN. Die Aktivierung der Proteinkinase C durch PMA erhöht die L1-Spaltung an der Plasmamembran, während der Entzug von Cholesterin mittels MCD die Spaltung innerhalb der Zelle verstärkt. Zudem führt die Senkung des zellulären Cholesteringehalts zur Freisetzung von Membranvesikeln, die sowohl L1 als auch ADAM10 enthalten. Die ADAM10-vermittelte Spaltung von L1 hält in isolierten Vesikeln an und generiert lösliches L1, welches die Migration von Tumorzellen verstärkt. In Ovarialkarzinomzellen wird die Abspaltung von L1 ebenfalls durch eine Metalloproteinase vermittelt, findet aber kaum an der Oberfläche statt. Durch Überexpression von L1, ADAM10 sowie einer katalytisch-inaktiven Form (ADAM10-DN) kann ein Zusammenhang zwischen ADAM10, der Abgabe von löslichem L1 und dem Migrationsverhalten von Karzinomzellen in vitro belegt werden. Ovarialkarzinomlinien setzen zudem konstitutiv hohe Mengen an Vesikeln frei, die proteolytisch aktiv sind und ebenfalls ADAM10 und L1 enthalten. In Asziten von Tumorpatientinnen kann sowohl vesikuläres als auch lösliches L1 nachgewiesen werden. Die funktionelle Bedeutung der ADAM10-vermittelten Spaltung von L1 für das Migrationsverhalten von Ovarialkarzinomzellen wird in Hinblick auf Tumorprogression sowie mögliche neue Therapieansätze diskutiert.
Streptococcus pneumoniae ist ein human-pathogenes Bakterium, das den Nasopharnyx gesunder Menschen besiedeln kann. Das Bakterium kann sich lokal ausbreiten und zu schweren invasiven Erkrankungen führen, wie der Pneumonie, der Meningitis und der Sepsis. Zahlreiche, vor allem oberflächenlokalisierte Proteine ermöglichen die Kolonisierung und Invasion der Pneumokokken. Von Zysk et al. (2000) wurden über ein Genbankscreening neue Proteine von S. pneumoniae gefunden. Eines davon ist die Serinprotease PrtA, die 2001 von Bethe näher untersucht wurde. PrtA ist eine in der Zellwand der Pneumokokken verankerte Protease, die als Prä-Pro-Protein synthetisiert wird. Im Mausmodell zeigte sich die Virulenz der Protease. Aufgrund der immunogenen Eigenschaften wird PrtA als potentieller Vakzine-Kandidat beschrieben. In der vorliegenden Arbeit sollte die Serinprotease PrtA nativ aufgereinigt und Untersuchungen zur biologischen Funktion durchgeführt werden. Über eine durch ortsspezifische Mutagenese hergestellte Mutante konnte die Protease nativ aus dem Kulturüberstand als ein HisTag-Fusionsprotein aufgereinigt werden. Neben den zwei angenommenen Hauptformen von PrtA mit Molekulargewichten von 240 kDa und 215 kDa konnten weitere Formen des PrtA durch Westernblot-Analysen identifiziert werden. Mehrere PrtA-Fragmente sowie die Identifizierung mehrerer Proteinspots bei einer zweidimensionalen Auftrennung des aufgereinigten PrtA, legen den Schluss nahe, dass es sich bei der Protease um ein instabiles Protein handelt. Diese Autoprozessierung zeigte sich als konzentrationsabhängig. Die genauen Prozessierungsstellen konnten noch nicht geklärt werden. Die Expression der Protease unterliegt einer Regulation. Sowohl auf transkriptionaler wie auf translationaler Ebene zeigte sich eine Beeinflussung der Expression von PrtA durch atmosphärische Bedingungen, sowie durch Glukose. Eine Beteiligung von PrtA am Abbau der in der Arbeit erwähnten Substrate konnte mit den verwendeten Methoden nicht gezeigt werden. Bindungsversuche von Pneumokokken an Bestandteile der extrazellulären Matrix, wie Fibronektin, Kollagen I, III und IV, ließen keine Beteiligung des PrtA an der Bindung an die jeweiligen Proteine erkennen. Einen Hinweis auf die Modifikation eines bakterieneigenen Proteins durch PrtA, ergaben zweidimensionale Untersuchungen des Protein-Expressionsprofils. Das modifizierte Protein konnte bislang noch nicht analysiert werden. Die Identifizierung dieses Proteins würde neue Einblicke in den Aufgabenbereich der Protease liefern.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie durch eine Automatisierung von Software-Entwicklungsaktivitäten sowohl Effizienz- als auch Qualitätsgewinne erzielt und komplexe Aktivitäten beherrschbar gemacht werden können. Dazu wird zunächst eine solide Basis für eine modellbasierte Software-Entwicklung geschaffen. Nach der Identifikation der Probleme der bisher üblicherweise eingesetzten Metamodellierung wird eine verbesserte Multiebenenmodellierung vorgeschlagen, welche die explizite Angabe der Instanziierbarkeit (Tiefe und Automatismus der Instanziierung) der Modellelemente erlaubt und damit eine deutliche Vereinfachung und bessere Verständlichkeit der Metamodelle ermöglicht. Zur operationalen Beschreibung von Modelltransformationen im Kontext dieser Multiebenenmodellierung wird sodann die Aktionssprache AL++ konzipiert. Insbesondere durch die Einführung von Sprachelementen für die Handhabung von Relationen und Attributen und die Aufnahme von Reflexionskonstrukten in die Sprache AL++ werden Transformationen kompakt und generisch beschreibbar. Anwendung finden diese Ansätze in der modellbasierten Entwicklung reaktiver Systeme. Dazu wird eine existierende Entwicklungsmethode erweitert, um eine durchgängige Automatisierung realisieren zu können. Die wichtigste Erweiterung ist dabei die modifizierte Automatenmodellierung, bei welcher erweiterte Endliche Automaten durch die Komposition getrennt modellierter Zustandsübergänge spezifiziert werden, was eine eindeutige Verfolgbarkeit zu den Anforderungen erlaubt. Eingesetzt werden obige Techniken für die statische Analyse von Spezifikationen, wobei insbesondere die automatische Detektion von Feature-Interaktionen (also die Feststellung kritischer Wechselwirkungen zwischen Produktmerkmalen) in dieser Form erstmalig für den Bereich der reaktiven Systeme durchgeführt wird. Daneben werden automatisierte dynamische Analysen auf der Basis generierter Prototypen betrachtet. Die Analyseergebnisse können automatisiert für die Modifikation und Neukonstruktion der Prototypen genutzt werden, womit Software-Entwicklungsexperimente vollständig in einem „virtuellen Labor“ durchgeführt werden können. Wichtigstes experimentelles Ergebnis ist, dass eine statische Parametrisierung einer „intelligenten“ Temperaturregelung möglich ist und daher eine Reduktion der notwendigen Produktmerkmale (und damit der Komplexität) erreicht werden kann. In Fallstudien wird am Ende der Arbeit nachgewiesen, dass alleine durch die automatische Erzeugung von Entwicklungsdokumenten und die konsistente Änderung vorhergehender Dokumente durch die in dieser Arbeit implementierten Werkzeuge ein Effizienzgewinn von 54 % erreicht werden kann. Die Erstellung der eingesetzten Werkzeuge hätte sich dabei bereits nach zwei ähnlichen Projekten bezahlt gemacht.