Photo by ©FAU/Erich Malter

OPEN FAU

Online publication system of Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

The online publication system OPEN FAU is the central publication platform for Open Access publishing for all members of Friedrich-Alexander-Universität. Qualified works from research and teaching may be published here free of charge, either as a primary or secondary publication. The full texts are permanently available worldwide and are findable and citable via catalogues and search engines.


To search for documents in OPEN FAU, please select "Search" (via the magnifying glass at the top right); this will provide you with various search options. If you want to publish a document, go to "Login" and "My Publications". Then drag you document into the field provided and enter the metadata. In just a few steps, you can submit your document. Please note our guidelines, the publication contract and FAQs.

 

Recent Submissions

Doctoral thesis
Open Access
Die Rolle von Siglecs in CLL und SLE
(2024) Röder, Bettina; Nitschke, Lars
CD22 und Siglec-G (bzw. das menschliche Ortholog Siglec-10) sind Mitglieder der Proteinfamilie der Siglecs (Sialic acid binding immunoglobulin-like lectins) und werden hauptsächlich auf B-Zellen exprimiert. Beide fungieren als inhibitorische Co-Rezeptoren des B-Zell-Rezeptors (BZR), indem sie die Calcium Mobilisierung dämpfen. Während die Funktion von CD22 auf konventionellen B2-Zellen zu beobachten ist, beschränkt sich die Wirkung von Siglec-G auf B1a-Zellen. Die Erkrankung der chronisch lymphatischen Leukämie (CLL) im Menschen zeichnet sich durch die klonale Expansion von CD5+ B-Zellen aus. Darüber hinaus ist bekannt, dass die BZR-Signaltransduktion wichtig für die Entstehung und die Aufrechterhaltung der Erkrankung ist. Siglec-G-defiziente Mäuse weisen durch den Verlust des inhibitorischen Rezeptors neben einer höheren BZR-vermittelten Calcium Antwort auch eine vergrößerte CD5+ B1a-Zellpopulation auf. Im Gegensatz dazu ergab die Untersuchung der kürzlich generierten Siglec-G überexprimierenden Mäusen eine signifikante Reduktion von B1a- Zellen in der Milz und im Peritoneum. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss der Expression von Siglec-G auf die CLL-Entwicklung im EμTCL1 Mausmodell analysiert. EμTCL1 transgene Mäuse entwickeln eine CLL-ähnliche Erkrankung, die den Verlauf der unmutierten CLL im Menschen simuliert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Verlust von Siglec-G zu einem früheren Ausbruch und einem schwereren Verlauf der CLL-ähnlichen Erkrankung im Mausmodell führt. Dies zeigte sich in einer früheren und stärkeren Expansion von CLL-ähnlichen Zellen (B220low CD5+) im Blut und weiteren Organen wie der Milz oder der Leber in TCL1 x Siglecg-/- Mäusen. Außerdem konnte ein verändertes BZR-Repertoire in diesen Mäusen festgestellt werden. Hierbei wurde ein früheres Auftreten von monoklonalen leukämischen Klonen und ein geringerer Anteil von Phosphorylcholin- und Phosphatidylcholin-bindender Zellen beobachtet. Schließlich führte der Verlust von Siglec-G zu einer kürzeren Überlebensspanne der Versuchstiere. Im Gegensatz dazu konnte durch die etwa fünffache Überexpression von Siglec-G auf B-Zellen die Expansion von CLL-ähnlichen Zellen in diesem Mausmodell deutlich verzögert und die somit die CLL-Entwicklung unterdrückt werden. Dies zeigt sich auch in einem Überlebensvorteil dieser Tiere im Vergleich zu TCL1 transgenen Mäusen. Interessanterweise konnte weiterhin eine Herunterregulation von Siglec-10, dem humanen Ortholog von Siglec-G, auf der Oberfläche humaner CLL-Zellen nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass Siglec-G eine entscheidende Rolle bei der Krankheitsentwicklung von CLL in Mäusen spielt, und legen nahe, dass ein ähnlicher Mechanismus für Siglec-10 bei CLL im Menschen existieren könnte. Im nächsten Schritt wurde untersucht, ob die Deletion von CD22, einem weiteren inhibitorischen Rezeptor auf B-Zellen, einen Einfluss auf die CLL-Entwicklung im Mausmodell hat. Der Verlust von CD22 führt zu ähnlich wie bei Siglec-G-defizienten Mäusen zwar zu einer höheren BZR-Signaltransduktion, aber nicht zu einer vergrößerten CD5+ B1a-Zellpopulation. Außerdem ist bekannt, dass die Expression von CD22 auf CLL- Zellen herunterreguliert ist. Dennoch konnten in TCL1 x CD22-/- Mäusen, trotz der höheren BZR-vermittelten Calcium-Mobilisierung in B-Zellen, keine wesentlichen Unterschiede in der CLL-Entwicklung im Blut nachgewiesen werden. Im Alter von 36 Wochen konnte eine signifikante Reduktion von Leukozyten und Lymphozyten durch hämatologische Untersuchungen festgestellt werden. Darüber hinaus konnte eine Tendenz zu weniger CLL- ähnlichen Zellen in den analysierten Organen beobachtet werden, die sich aber im weiteren Verlauf der Zeit, mit Ausnahme des Knochenmarks, wieder ausgleicht. Zusammengenommen scheint die verstärkte BZR-Signalweiterleitung durch den Verlust der inhibitorischen Co- Rezeptoren CD22 bzw. Siglec-G nicht allein ausschlaggebend für den drastischen Einfluss auf den Krankheitsverlauf zu sein, sondern zusätzlich die durch die Expression von Siglec-G regulierte Größe der CD5+ Vorläuferpopulation. Für ein funktionierendes Immunsystem ist die Unterscheidung zwischen Selbst- und Fremd- Antigenen essenziell. B-Zellen spielen bei der Entwicklung von Autoimmunerkrankungen vor allem durch ihre Fähigkeit zur Produktion von Autoantikörpern eine bedeutende Rolle. Für die auf B-Zellen vorkommenden inhibitorischen Co-Rezeptoren CD22 und Siglec-G, konnte eine wichtige Beteiligung in der Aufrechterhaltung der B-Zell Toleranz nachgewiesen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss der B-Zell-spezifischen Überexpression von CD22 und Siglec-G auf die Entwicklung einer Autoimmunerkrankung untersucht. Die Überexpression von Siglec-G führt im Alter bereits zu einer Reduktion von Keimzentrums-B- Zellen, Plasmazellen und Follikulären T-Helferzellen (Tfh-Zellen). Durch die Injektion von Pristan eine Lupus-ähnliche Erkrankung in diesen Mäusen ausgelöst. In beiden Siglec- überexprimierenden Mauslinen wurde die Entwicklung von Pristan-induziertem Lupus unterdrückt. Diese Mäuse zeigten eine reduzierte Bildung von antinukleären Autoantikörpern (ANA), keine Anzeichen von Proteinurie und weniger Keimzentrums-B-Zellen, Plasmazellenund Tfh-Zellen. Darüber hinaus war dieser Effekt in Siglec-G überexprimierenden Mäusen deutlicher ausgeprägt als durch die Überexpression von CD22. Zusammengefasst konnte in den untersuchten Lupus-ähnlichen Krankheitsmodellen ein präventiver Effekt vor allem durch die Überexpression von Siglec-G aber auch von CD22 nachgewiesen werden.
Doctoral thesis
Open Access
Einfluss von Analgosedierung und Allgemeinanästhesie auf prozedurale Ergebnisse beim Vorhofohrverschluss mit dem Watchman Okkluder
(2024) Allakkis, Wasim; Achenbach, Stephan
Zusammenfassung Hintergrund und Ziele Der kathetergestützte Vorhofohrverschluss (LAA-Verschluss) dient bei Patienten mit Vorhofflimmern, bei welchen relative oder absolute Kontraindikationen für eine orale Antikoagulation (OAK) vorliegen, zur Prävention eines Schlaganfalls. Der Eingriff kann entweder in Analgosedierung (AS) oder Vollnarkose (VN, umgangssprachlich für Allgemeinanästhesie) durchgeführt werden. Die vorliegende Arbeit vergleicht diese beiden Narkoseverfahren hinsichtlich periprozeduraler Ergebnisse. Methoden Patienten Retrospektive Analyse aus zwei Registern der Abteilungen für Kardiologie an den Kliniken Coburg und Lichtenfels. In diesen wurden retro- und prospektiv 521 Patienten erfasst, bei welchen zwischen 2012 und 2018 ein LAA-Verschluss mit dem Watchman Okkluder (Boston Scientific, MA, USA) durchgeführt wurde. Untersuchungsmethoden und Endpunkte Am Klinikum Coburg erfolgte der Eingriff in AS, am Klinikum Lichtenfels in VN. Für eine Vergleichbarkeit der beiden Patientenkohorten hinsichtlich wichtiger demographischer Charakteristika wurde zunächst ein Propensity-Score-Matching bezüglich der Parameter Alter, body mass index (BMI), Vorliegen einer fortgeschrittenen Lungenerkrankung, chronischen Niereninsuffizienz, koronaren Herzkrankheit, koronarer Revaskularisationsstatus, Herzinsuffizienz, Diabetes mellitus, linksventrikuläre Ejektionsfraktion sowie Schlaganfall- und Blutungsrisiko durchgeführt. Der primäre Endpunkt der Wirksamkeit wurde als 7 Implantationserfolg definiert. Der primäre Endpunkt der Sicherheit umfasst schwerwiegende periprozedurale Komplikationen und postoperativ aufgetretene Pneumonien. Ergebnisse und Beobachtungen Am Klinikum Coburg erfolgte der Eingriff bei 218 Patienten in AS, am Klinikum Lichtenfels bei 303 Patienten in VN. Nach dem Propensity-Score-Matching wurden 196 (AS) vs 115 (VN) Patienten verglichen. Bei fünf Patienten (2.6%) war ein Wechsel von AS auf VN notwendig. Der primäre Endpunkt der Sicherheit (3.5% AS vs 7.0% VN, p=0.18) und seine Komponenten (schwerwiegende periprozedurale Komplikation: 2.5% AS vs 3.5% VN, p=0.73; postoperative Pneumonie: 2.6% AS vs 4.3% VN, p=0.51) unterschied sich zwischen den beiden Gruppen nicht. Auch der Implantationserfolg als primärer Endpunkt der Wirksamkeit war zwischen den Gruppen vergleichbar (96.9% AS vs 93.9% VN, p=0.24). Das postoperative Überwachungsprotoll sah in der AS-Gruppe eine kürzere Überwachungszeit vor (Median, Stunden: 4 IQR 4-4 AS vs 24 IQR 22-24 VN). Schlussfolgerungen In der vorliegenden Studie fanden sich beim LAA-Verschluss mit dem Watchman Okkluder keine Unterschiede zwischen AS und VN hinsichtlich des Implantationserfolgs oder der periprozeduralen Sicherheit. Die Wahl für eines der beiden Anästhesieverfahren sollte sich nach den Komorbiditäten des Patienten, der Expertise des Operateurs bzw. Operationsteams und der Krankenhauslogistik richten.
Doctoral thesis
Open Access
Damage Tolerance and Failure Analysis of Hierarchically Patterned Materials
(2024-06-03) Pournajar, Mahshid; Zaiser, Michael
Hierarchically (micro)structured materials contain elements that repeatedly ap- pear on multiple scales in a self-similar manner. Architectures of this type are sup- posed to provide enhanced toughness in materials made from brittle constituents. Network models have been developed to explore the failure behavior of hierar- chical structures. While modeling approaches have confirmed the mechanical advantages of these microstructural arrangements, experimental validation of the viability and applicability of these models remains an open question. In this thesis we apply both simulation and experimental approaches to explore how the hierarchical architecture of materials improves toughness and enhances damage tolerance in different loading modes. Conducting experiments on quasi- two-dimensional materials, we examine the failure behavior of paper sheets as well as polystyrene (PS) sheets as simple prototypes of a disordered quasi-brittle material. Different microstructures are imposed in the form of laser cut hier- archical and non-hierarchical reference slice patterns. Fault tolerance is investi- gated considering both intact samples and samples with pre-existing macroscopic cracks. To simulate fracture in different loading conditions, failure is reached under displacement-controlled tensile loading and time dependant creep constant sub-critical load. We record acoustic emission signals to monitor damage, and we use digital image correlation technique (DIC) to reconstruct surface strain pat- terns. We perform similar tests in two-dimensional (2D) beam network model (BNM) simulations, which allow us to average results over multiple realizations of structural disorder and local strength fluctuations. We demonstrate that hierarchical patterning effectively suppresses strain local- ization and crack propagation. As a result, hierarchical patterned samples show higher failure load, apparent fracture toughness, and work of fracture. Under creep conditions, the hierarchically patterned samples sustain larger creep strains at higher stress levels. Creep curves exhibit peculiar behavior characterized by multiple minima in creep rate, attributed to the repeated arrest of emerging lo- calization bands. Our results indicate that hierarchical patterning enhances fault tolerance by dramatically altering failure mechanisms. In order to further explore the relation- ship between microstructure and fracture behavior, and to investigate how the network structure responds to damage, we implement methods of graph theory to quantify statistical correlation between network measures and failure propensity. We study the possibility of predicting failure locations by quantifying the edge betweenness centrality (EBC) of the load carrying beams in our quasi-brittle sim- ulation models. We evaluate the effectiveness of the EBC metric as a structural predictor of future failure events for varying degrees of local-strength disorder highlighting, as above, the differences between hierarchical and reference systems.
Doctoral thesis
Open Access
Resistance to antibacterial therapy in pediatric febrile urinary tract infections – a single center analysis
(2024) Simmerl, Thomas; Zierk, Jakob
BACKGROUND Febrile urinary tract infections (UTIs) are common serious bacterial infections in childhood and require early diagnosis and antibacterial therapy. However, considerable uncertainty exists regarding the optimal antibacterial agent for primary treatment of pediatric UTIs. Additionally, patterns of susceptibility and resistance change over time and microbiological in-vitro-resistance is not necessarily associated with treatment failure. Here, we analyzed uropathogens, their resistance patterns, and response to antibacterial treatment in children with acute pyelonephritis. METHODS We used billing codes (international classification of diseases, ICD) to identify all inpatients 0-18 years with febrile UTIs in a German university tertiary care center from 2009 until 2018. Microbial results were retrieved from the laboratory information system for all children, treatment regimen and treatment response were analyzed in a subgroup of children. RESULTS We identified 907 children with acute pyelonephritis, in 590 cases (65 %) a uropathogen was detected. Escherichia coli (60.6 %), Enterococcus faecalis (13.3 %), and Klebsiella pneumoniae (7.0 %) were the most common pathogens. 353 of 436 Escherichia coli isolates (81.0 %) were susceptible or intermediate to aminopenicillin/ß-lactamase- inhibitor (BLI) combinations. We examined 52 cases where Escherichia coli was resistant to initial therapy with aminopenicillin/BLI combinations: Therapy was changed in 35 cases and left unchanged in 17 cases, and we found no significant differences in C- reactive protein and leucocyte count in blood and urine between both groups after 3 days. CONCLUSIONS We present the spectrum of uropathogens and susceptibility test results in pediatric UTIs in a tertiary care center. Our findings suggest a satisfactory response to first-line therapy with aminopenicillin/BLI combinations.
Doctoral thesis
Open Access
Analysis of immune cell migration in three dimensional environments
(2024) Czerwinski, Tina Linda; Fabry, Ben
The immune system plays a key role in recognising and combating pathogens and tumour cells in the body. To achieve their function, immune cells constantly patrol a connective tissue of densely packed mesenchymal cells and extracellular matrix fibres with pores smaller than the cells, at high migration speeds of 5 - 10 μm/min. Immune cell migration has been extensively studied over the past decades, both in vitro using flat, two dimensional (2D) substrates and three dimensional (3D) matrices, and more recently in living animals using intra-vital imaging techniques. The 3D migratory ability of immune cells is commonly quantified by the migration speed and the directional persistence of cell trajectories. In this thesis, I demonstrate that the motile cell fraction is a vastly more sensitive indicator for the motility of immune cells in health, under pathological conditions and under different treatments, whereas migration speed and directional persistence remain surprisingly stable. The motile fraction indicates the fraction of cells in a population that are moving freely in a 3D matrix. Moreover, the remaining non-motile fraction is still viable and may only be temporarily unable to move. Hence, the motile fraction increases with measurement time. Taken together, this implies in a rather fundamental way that immune cells appear to either migrate at full speed, or they stop moving. In this thesis, I present new methods to accurately quantify the motile fraction of immune cell populations in different 3D matrices. Since the standard error of average values for the measured single cell parameters such as cell speed, persistence and motile fraction scales with the square root of the number of observed cells, an accurate estimate of the motile fraction requires live tracking of a large number of individual cells. Therefore, I developed a high-throughput 3D migration assay to track 1000 to 3000 individual cells per experiment, facilitating the detection of even very small changes in cell behaviour. With this tool in hand, I investigated and uncovered some of the fundamental laws that govern the ability of immune cells to infiltrate dense tissue. To mimic the process of immune cell migration through the connective tissue of different organs, I used biopolymer fibre networks as in vitro models, composed of collagen with tunable mechanical and structural properties, with pore sizes ranging from 3.5 μm to 5.7 μm and stiffness values (shear modulus) ranging from 100 Pa to 1200 Pa. To investigate the underlying cause of the sensitivity of the motile fraction in response to small changes in culture conditions or the microenvironment, I combined the 3D migration assay with high-speed 3D traction force microscopy (TFM). Current understanding suggests that immune cells infiltrate tissue using a so-called amoeboid migration mode, characterised by weak matrix adhesions and low traction forces. While my migration and traction force data confirm that immune cells (B cells, T cells, NK cells, neutrophils and monocytes) predominantly migrate in an amoeboid fashion, these data also demonstrate that the amoeboid migration mode is only used when the cells can move freely through matrix pores. However, when the cells encounter a narrow pore, they avoid getting stuck by switching to a highly contractile, mesenchymal-like mode of migration, which helps to pull the cell body through the narrow pore. Surprisingly, the magnitude of traction forces that immune cells are able to generate can reach values seen previously only for mesenchymal cells such as fibroblasts and cancer cells after endothelial-to-mesenchymal transition (EMT). Accordingly, the motile fraction appears to reflect the ability of an immune cell population to overcome the steric hindrance in a mechanically challenging environment. In support of this hypothesis, I demonstrate that NK92 cells, an NK cell line, as well as ex vivo expanded NK cells and primary NK cells, neutrophils, monocytes, T cells and B cells, all exert short bursts of contractile forces during 3D migration. These short contractile bursts occur predominantly after a cell slowed down on its way through the matrix and is in danger of getting stuck. After increasing their traction forces, cells tend to speed up. Decreasing cellular force generation by inhibiting actomyosin contraction decreases the motile fraction, while increasing cellular force generation by inhibiting microtubule polymerisation increases the motile fraction. I also show that the transmission of force to the extracellular matrix by immune cells is integrin-dependent, further highlighting the similarity of this mode of migration to mesenchymal cell migration. The motile fraction during 3D migration thus provides an indirect but surprisingly accurate and specific readout for the ability of immune cells to switch to a contractile mode of migration to overcome steric hindrance. With these novel insights and methods in hand, I next turned my attention to the development of improved expansion protocols that not only activate immune cells, but also enhance immune cell motility. Regulatory T cells are a prime target for ex vivo expansion because of the low number of these cells circulating in the peripheral blood. My data show that a clinical expansion protocol strongly increases the motility of expanded regulatory T cells by increasing the motile fraction, while cell speed and directional persistence remain nearly unchanged before versus after expansion. This finding strongly supports my earlier findings that a universal property of immune cells is that they are able to achieve the same cell speed and directional persistence under different conditions, but the number of cells that get stuck in the matrix varies significantly. Hence, the motile fraction is a clinically highly relevant and crucial parameter for optimising expansion protocols. Finally, I addressed the question of why current immune cell therapies fail in patients with solid tumours. I measured the motile fraction of NK cells derived from peripheral blood monocytes using a Good Manufacturing Practice (GMP) compliant NK cell expansion protocol. These protocols are used in a clinical context to generate a large, highly activated NK cell population from a patient’s blood sample, with the aim of reinjecting these expanded cells into the patient to enhance the immune response against blood-borne cancers or solid tumours. At the end of the expansion period, the cell population is cryopreserved to bridge the time required for biosafety testing. I found that after cryopreservation, the cytotoxicity (i.e. the killing ability of these cells) as well as the cell speed and directional persistence of motile NK cells is almost unchanged, while the motile fraction is decreased 6-fold. This finding may help explain the persistent failure of NK cell therapy in patients with solid tumours. In summary, the key finding of my thesis is that the default amoeboid migration mode of immune cells can be interrupted by a switch to a highly contractile, mesenchymal-like migration mode when the cell encounters a local microenvironment with a high degree of steric hindrance. This switch helps the cell to avoid getting stuck in the matrix. The ability to overcome the steric hindrance of the matrix can be readily estimated by the motile fraction in 3D migration assays. Together, these insights may be helpful for clinical applications including expansion protocols and novel treatments that target immune cell function.