Mechanotransduction, the conversion of mechanical stimuli into electrochemical signals, is a process known to play an essential role in several physiological systems such as somatic sensation and vascular homeostasis. Moreover, mechanical forces, together with chemical signalling, are required for the correct cellular rearrangements happening during embryonic development. To sense these stimuli, cells require different molecular mechanosensors, among them mechanosensitive ion channels like PIEZO2. PIEZO2 is known to act as a highly sensitive mechanosensor in the somatosensory, musculoskeletal and respiratory systems. Several case reports show that both gain- and loss-of-function mutations in PIEZO2 cause congenital diseases that present variable clinical symptomatology. So far, the majority of studies in mice have focused on the postnatal stages. For this reason, a thorough analysis of its expression over the course of development was still needed. To unravel this, a fate-mapping approach was used, which led to the identification of new Piezo2-descendent cells in the developing brain and heart. In the heart, we identified that the coronary endothelial cells, the smooth muscle cells of the outflow tract and a non-endothelial cell subpopulation of the cardiac valves are Piezo2-descendent. In the developing brain, we were able to identify Piezo2 lineage cells, specifically endothelial and radial glial cells. Moreover, in the adult brain, we saw that these radial glial cells give rise to hypothalamic astrocytes and neurons of specific brain regions. Moreover, since gain-and-loss-of-function mutations in PIEZO2 cause congenital diseases and some patients have heart and brain malformations, we decided to study if this phenotype is recapitulated in mice. We observed that mice with Piezo2 loss-of-function mutations presented hypertrophic hearts and coronary artery stenosis. Moreover, both Piezo2 gain-of-function mutants, each containing a different point mutation, presented brain malformations. Altogether, our data demonstrates that Piezo2 is expressed during heart and brain development and that a non-properly functional channel causes developmental malformations in the aforementioned tissues.

Transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) is a polymodal channel important for mechanotransduction in a variety of cells and tissues (Nilius et al. 2004, White JP et al. 2016). Interestingly, TRPV4 channels are specifically gated by movements of the membrane attached to the extracellular matrix when applying substrate deflection stimuli, but are insensitive to mechanical stimuli like membrane stretch or indentation (Servin-Vences et al., 2017). This suggests that TRPV4 channels may possess an unknown deflection-sensitive domain. By using the pillar arrays technique, a method that combines whole-cell patch clamp recordings and elastomeric pillar arrays, we sought to determine the minimal mechanosensing domain of TRPV4 that allows this channel, but not other TRP channels, to be gated by membrane deflection. We generated chimeric channels (TRPV4/TRPV1) in which protein domains from the mechanosensitive TRPV4 channels were substituted by the homologous domains of the non-mechanosensitive TRPV1 channel. We studied these chimeric channels by expressing them in N2aPiezo1-/- cells, which lack endogenous mechanosensitive currents (Moroni et al. 2018). We found that the minimal TRPV4 molecular segment essential for gating substrate deflection currents in TRPV4 is constituted by the 6th transmembrane and C-terminal domain of the channel. Moreover, since a series of mutations in TRPV4 located within the mechanosensitive domains have been linked to different pathophysiological conditions, we inserted point mutations in the TRPV4 clone to study their biophysical properties. We observed that mutations in L709M, A716S, and T740I modified mechanosensitivity and kinetics of TRPV4 currents. Thus, changes in the biophysical properties of TRPV4 variants present in the mechanosensing domain, might modify the interaction between the TRPV4 and the extracellular matrix. Thus, specific deficits in channel mechanosensitivity rather than other modes of gating could lead to TRPV4-related human diseases such as skeletal dysplasias and sensory neuropathies.

This cumulative dissertation presents two main topics: 1. The oxidative unzipping of monodisperse single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) to fabricate oxo-graphene nanoribbons (oxo-GNRs) with uniformwidths. 2. The orthogonal functionalization of those ribbons on edges and the basal plane. Graphene nanoribbons (GNRs) are narrow quasi-one-dimensional graphene strips that exhibit highly tunable electronic properties determined by their width, edge configuration, and functionalization. The chemical unzipping of carbon nanotubes offers a promising approach for producing GNRs at scales necessary for industrial applications like nanoelectronics. The primary objective of this work is to establish a reliable method for synthesizing oxo-GNRs by oxidatively unzipping SWCNTs using a mild oxidation protocol adapted fromEigler and coworkers’ oxo-graphene synthesis with potassium permanganate and sulfuric acid. EmployingSWCNTs with uniformchirality, like (6,5)-CNTs, ensures the fabrication of nanoribbons with consistent widths - an essential feature for potential applications. A focus of this work is the comprehensive characterization of oxo-GNRs, including their chemical composition, morphology, and optical properties. Key findings, including the discovery of photoluminescence of oxo-GNRs and the precise identification and localization of oxo-groups, are substantiated through comprehensive experimental data and chemical derivatization. This research addresses a gap of knowledge by developing a robust structural model to link synthesis parameters with the resulting nanoribbon properties, thereby overcoming limitations in understanding structure-property relationships. The second part of this work develops an orthogonal functionalization strategy for selectively modifying the edges and π-surface of oxo-GNRs. This is achieved through reactions with phenylhydrazine derivatives and diazonium chemistry, enabling precise control over the placement of the resulting groups on the edges or basal plane of the ribbons, respectively. The findings of this study advance scalable GNR synthesis and targeted functionalization of oxidized graphene materials and contribute to the understanding of their structural and chemical properties. Future research may focus on expanding functionalization strategies and integrating GNRs into nanoelectronic devices to explore their electronic properties.

The innate and adaptive immune systems protect the body from harmful environmental sub-stances by sampling, presenting, recognizing and subsequently combating pathogens. Traveling through the blood stream from primary and secondary lymphoid tissues to their tar-get destination, all immune cells interact with and migrate through the endothelium of the blood vessels. Specialized antigen-presenting cells (APC) such as dendritic cells (DC) and macrophages penetrate the epithelial cell barrier to sample antigens on the apical side using their dendritic protrusions. First responding immune cells, granulocytes, including neutrophils and eosino-phils, even transmigrate through the epithelial paracellular space to fight pathogens in the lu-men of e.g. the gut or the lung. When migrating through the paracellular space, immune cells inevitably come into contact with the tight junctions (TJ), a tight meshwork of transmembrane proteins that tighten this space and allow for the passage of ions, water, and macromolecules. There are two different types of TJs: (i) The bicellular TJ (bTJ) constitutes the barrier between two adjacent cells and is predominantly defined by proteins of the claudin family and by occludin and marvelD3. (ii) The tricellular TJ (tTJ) seals the paracellular space at the corners where three or more cells meet and is made up of proteins of the angulin family (LSR, ILDR1 or ILDR2) and tricellulin. Although there has been evidence that certain APCs express different claudins, immune cells transmigrate predominantly trough the tTJ. Therefore, the hypothesis was postulated that im-mune cells express (t)TJ proteins to interact with the tTJ to transmigrate through the paracel-lular space. To investigate this, immune cells were screened for TJ protein expression on mRNA and pro-tein level. RT-qPCR data revealed varying mRNA expression patterns according to activation status. High expression levels of claudin-8 and -12 on mRNA, and LSR on both mRNA and protein level were detected. To clarify protein location, binding experiments with the c-terminal end of Clostridium perfringens enterotoxin (cCPE) and high-resolution microscopy (stimulated emission and depletion, STED) were conducted. cCPE experiments revealed claudin surface expression was not high enough for binding, whereas STED-imaging of claudin-8 and overexpression of claudin-4 in T cells showed that translocation of the protein to the membrane was possible. Also, LSR was detected in the membranes of neutrophils and T cells. So far, subsequent co-immunoprecipitation (Co-IP) assays, however, could not definitively clarify whether immune cell-derived LSR would interact with the tTJ of epithelial monolayers. This indicates that some other not yet identified proteins might regulate the paracellular pas-sage of immune cells through the tTJs. LSR might have different, regulatory functions that could go beyond the already revealed functions in cancer or pathogen interaction. Further-more, it was shown that immune cells express a wide variety of TJ proteins on mRNA and protein level. The expression levels varied according to the state of activation suggesting more non-canonical functions of claudins than so far identified.

We have developed additive regression convective hazard models (AR-CHaMo) for predicting the occurrence of large (≥ 2 cm), very large hail (≥ 5 cm) and lightning. The models were trained using hail reports, lightning observations and parameters calculated from the ERA5 reanalysis across three different regions: Europe, the United States and Australia. The AR-CHaMo models take convective initiation explicitly into account meaning that the probability of (very) large hail is computed as the product of the probability of a thunderstorm occurring and the conditional probability of (very) large hail given a storm. AR-CHaMo outputs the probability of (very) large hail and lightning as a function of environmental predictors from the ERA5 reanalysis. While developing AR-CHaMo, we showed that a commonly used parameter such as the Convective Available Potential Energy (CAPE) should not be used as a proxy for hail worldwide as it may not fully address the fundamental physical mechanisms behind hail formation, especially across sub-tropical regions. We found the amount of CAPE released above the -10° C isotherm to outperform CAPE and to be the only instability-related parameter that can perform well regardless of the geographical region. These findings were possible thanks to the large number of (experimental) parameters,172, that were computed from ERA5 and tested within the logistic models. The AR-CHaMo models were used for two main purposes: firstly to reconstruct the long-term climatology and the associated trends in Europe, the U.S. and globally, and secondly for medium-range forecasting. The reconstruction of the long-term climatology between 1950 and 2021 across Europe and the U.S. allowed us to map the regional hotspots of (very) large hail. In the U.S., large and very large hail are most common in the Great Plains with a maximum between north-western Kansas, north-eastern Colorado and south-western Nebraska while in Europe the hotspots are northern Italy, south-western France and eastern Spain. Between 1950 and 2021, the frequency of (very) large hail has increased across most of Europe while trends are comparatively smaller in the U.S. The strongest increase is found in northern Italy where hail ≥ 5 cm is now (2012–2021) modelled to be three times more frequent than it was in the 1950s. The extension of the analysis to global scale for the period 1992–2022 showed that the positive trends detected in southern Europe are not only stronger than those in the U.S. but the strongest on a global scale. Such positive trends are driven by a local increase in low-level moisture, and consequently higher buoyancy, rather than by changes in tropospheric flow patterns. On a global scale, very large hail is most frequent across the Great Plains of the U.S., the tri-border region between Argentina, Paraguay and Brazil, and to lesser extent in South Africa. Local hotspots exist in Australia and parts of Asia but, overall, hail ≥ 5 cm is much less frequent there. During the past 30 years, very large hail is modelled to have decreased across most of the southern hemisphere especially across South America and equatorial Africa while areas of positive trends are limited to Europe and parts of the U.S. The trends of AR-CHaMo were compared to those in hail loss events across Central Europe, the U.S. and Australia. Although the number of hail loss events has increased in each of these regions, the drivers of these trends might differ. In Europe, trends in hail loss events show similarities to increases in the modelled frequency of very large hail. In the U.S., the number of hail loss events increases stronger than the modelled frequency of hail ≥ 5 cm, and in Australia the trends even show opposite signs. Increases in hail loss events are mainly driven by non-meteorological factors, namely socio-economic factors as well as more exposure with higher vulnerabilities. However, the similarities of the trend curves in Europe indicate that, here, meteorological factors might play a more important role than across the U.S. and Australia. A second application of the AR-CHaMo models involved forecasting. When applied to the ECMWF reforecasts for the period 2008–2019, AR-CHaMo proved to be skillful in predicting large hail up to 108 hours in advance. In addition, the comparison with existing composite metrics for hail forecasting showed that AR-CHaMo outperforms the product of CAPE and Deep Layer Shear (CAPESHEAR, at all lead times) and the Significant Hail Parameter (SHP, at short to medium lead times). In conclusion, the AR-CHaMo models were applied to the deterministic runs from the ECMWF IFS, GFS and ICON-EU models to yield daily probabilistic forecasts of lightning, hail ≥ 2 cm and hail ≥ 5 cm on a pan European scale. Forecasts are publicly available on the website stormforecast.eu and provide the first open- access probabilistic tool for (very) large hail forecasting. It is aimed that this tool will help forecasters in the prediction of these hazards across the whole of Europe.

This dissertation presents a physical layer-inspired approach to the design, implementation, and formal verification of security protocols tailored for ‘Internet-of-Things(IoT)’ devices, introducing the ComPass protocol as a key contribution. ComPass leverages the inherent randomness of wireless channels to generate shared passphrases between devices, reducing the need for user-generated passwords and mitigating vulnerabilities associated with weak passwords, while also offering a new direction for network-level onboarding for resource-constrained devices. Additionally, ASOP, an application-level device onboarding protocol is proposed that operates independently of manufacturers or third-party certificate authorities. ASOP enhances security and future-proofs IoT systems through the integration of post-quantum cryptography primitives. Beyond protocol design, this dissertation also evaluates the effectiveness of passphrases. This analysis begins by defining key concepts in information measurement, such as entropy, the standard metric for quantifying information content. We review several entropy estimation algorithms, including those from the widely recognized NIST entropy estimation tool. To address gaps in current metrics, we introduce a metric, termed Expectation entropy, as well as the concept of Remaining entropy. This discussion on Remaining entropy aims to establish a relationship between Shannon entropy, min-entropy, and Jensen’s inequality, providing a more understanding of information security in passphrase generation. The dissertation further explores the application of new protocols in smart city contexts, particularly within the healthcare sector. Here, Ultra-Wideband (UWB) technology, combined with the Permission Voucher protocol, is proposed as a solution for creating privacy-preserving and resilient communication systems. To verify the security of the above mentioned protocols, formal analysis is conducted within symbolic model using the Tamarin Prover, demonstrating their resistance to common attack vectors and identifying potential areas for improvement, such as mitigating insider threats and enhancing key management.

This thesis addresses two complementary aspects of exoplanetary science: the study of planetary interiors through Love numbers and observable tidal interactions, and the investigation of Giant Exoplanets around M dwarf Stars (GEMS). The work is based on three first-author publications that pursue different but synergetic approaches to the study of giant planets.

The internal structure of exoplanets is often challenging to constrain due to a degeneracy between their mass, radius, and interior structure. This degeneracy can be addressed using the second-order fluid Love number k2p, which provides crucial insights into the mass distribution within celestial bodies. I demonstrate how tidal effects, such as apsidal motion and orbital decay, can be detected by combining long baselines of transit timing variations and radial velocities. These observations enable precise derivation of k2p, offering information about planetary interiors and composition. I present the detection of apsidal motion in the WASP-19 system and the first determination of its planetary Love number, k2p = 0.20 (+0.02 / -0.03). I analyse the complexities of a second case study, WASP-43, marking the first simultaneous detection of both apsidal motion — with a rate of 0.1726 (+0.0082 / -0.0090) degrees per day — and orbital decay — with a rate of 1.86 ± 0.50 milliseconds per year — in an exoplanetary system. The thesis also explores how these tidal effects can be used to probe planetary composition and formation mechanisms, highlighting the potential of future missions like PLATO and JWST to refine these measurements.

Moreover, I explore the emerging population of GEMS, giant planets around low-mass stars. These planets challenge traditional models of planet formation, with core accretion and gravitational instability processes being less efficient in the smaller, cooler discs of M dwarfs. I present the discovery of TOI-6383Ab, a newly detected GEMS with a mass of 1.040 ± 0.094 times the mass of Jupiter and a radius of 1.008 (+0.036 / -0.033) times the radius of Jupiter. It orbits a 0.46 solar mass star in a stellar binary system with an orbital period of approximately 1.791 days. I discuss the implications for the formation and evolution of TOI-6383Ab in a low-mass stellar system, which supports a hybrid formation scenario, suggesting that giant planet formation around M dwarfs involves a complex interaction of disc characteristics and dynamics. My findings highlight the need for continued surveys to deepen our understanding of the diversity of planetary systems.

Das Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe einer rasseübergreifenden, deutschlandweiten Studie in Form einer Onlineumfrage neue Daten zur Prävalenz von Krankheiten bei Pferden in Deutschland zu erheben und somit einen aktuellen allgemeinen Gesundheitsstatus von Pferden in Deutschland zu erhalten. Es sollte auch untersucht werden, ob Risikofaktoren wie Alter, Geschlecht, Körperkondition und Haltung für die häufigsten Krankheiten und Verhaltensauffälligkeiten von Bedeutung waren. Weiterhin wurden Korrelationen zwischen verschiedenen Krankheiten sowie zwischen Krankheiten und Verhaltensauffälligkeiten ermittelt. Insgesamt wurden 1058 der rückläufigen Fragebögen der statistischen Analyse unterzogen.

Die „Top-Ten“ der Krankheiten in Deutschland bildeten: 1. Equines Asthma 9,7 % 2. Kotwasser 7,8 % 3. Headshaking 6,2 % 4. Mauke 4,9 % 5. Sommerekzem 4,7 % 6. Magenulzera 4,2 % 7. Sarkoid 3,1 % 8. EOTRH 2,6 % 9. PPID 2,5 % 10. EMS 2,1 %

Insgesamt zeigten 17,3 % der Pferde Verhaltensauffälligkeiten. Equines Asthma trat signifikant oft gleichzeitig mit EOTRH, PPID oder Herzkrankheiten auf. Sarkoide waren häufig kombiniert mit Magenulzera oder EMS. EOTRH zeigte eine Korrelation mit PPID und EMS. Auch Shivering und Ataxie zeigten einen Zusammenhang. Alte Pferde über 20 Jahre waren grundsätzlich häufiger krank, jedoch nicht signifikant häufiger multimorbide oder verhaltensauffällig als jüngere Pferde. Endokrinologische Erkrankungen, Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems sowie Erkrankungen des Gastrointestinaltraktes traten häufiger in hohem Alter auf. Im Einzelnen zeigten PPID, Equines Asthma, Sommerekzem und EOTRH einen signifikanten Zusammenhang. Weibliche Pferde zeigten eine Prädisposition für EMS, männliche dagegen für Erkrankungen des Gastrointestinaltraktes, insbesondere für EOTRH sowie für Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems. Ponys hatten signifikant häufiger endokrinologische Erkrankungen und Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems als Großpferde. Im Speziellen zeigten sie eine stärkere Neigung zu der Entwicklung von PPID, EMS, Equinem Asthma und Sommerekzem im Vergleich zu Großpferden. Großpferde waren dagegen vor allem betroffen von neurologischen Erkrankungen. Vor allem Warmblüter zeigten eine Prädisposition für Shivering, Ataxie und Headshaking. Kaltblüter hatten signifikant häufig Mauke, Vollblüter eher Equine Sarkoide. Die Haltungsform spielte bei einigen Krankheiten eine bedeutende Rolle. In Haltungsformen mit wenig Bewegungsfreiheit und Zugang zu Frischluft häuften sich Multimorbiditäten. In Haltungen mit viel Bewegungsfreiheit und Zugang zu Frischluft waren dagegen Endokrinopathien, im Speziellen EMS, sowie Equines Asthma häufiger anzutreffen. Pferde in Norddeutschland zeigten signifikant häufiger Shivering und Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems, im Einzelnen Equines Asthma. Übergewichtige Pferde neigten zu der Entwicklung von EMS. Kranke Pferde waren auffällig häufig auch verhaltensauffällig, umgekehrt hatten verhaltensauffällige Pferde auch häufiger Krankheiten. Multimorbide Pferde waren signifikant häufiger verhaltensauffällig als Pferde mit keiner oder einer Krankheit. Verhaltensauffälligkeiten waren außerdem assoziiert mit Headshaking und Magenulzera. Sportpferde zeigten signifikant häufig Multimorbidität, Pferde ohne sportliche Nutzung dagegen eher EMS, Dermatologische Erkrankungen und im Speziellen Sommerekzem.

Trotz der beständigen Weiterentwicklung von Alternativmethoden sind Tierversuche, die oft an Mäusen oder Ratten durchgeführt werden, weiterhin für bestimmte Fragestellungen notwendig. Zum Schutz von Versuchstieren dürfen sie in vielen Ländern nur unter gesetzlich definierten Bedingungen durchgeführt werden. Eine international anerkannte Bedingung ist die Umsetzung des 3R-Prinzips von Russell und Burch. Nach diesem Prinzip sind Tierversuche, wenn möglich, durch tierversuchsfreie Alternativen zu ersetzen („Replace“), die Anzahl der eingesetzten Tiere ist auf ein Minimum zu reduzieren („Reduce“) und die Belastungen für die Tiere sind möglichst gering zu halten („Refine“).

Im Sinne des 3R-Prinzips darf die Arbeit an lebenden Versuchstieren innerhalb der Europäischen Union nur von Personen durchgeführt werden, die dahingehend sachkundig sind. Zum Erwerb der Sachkunde bedarf es vertiefender Expertise, die über einen Beaufsichtigungszeitraum entwickelt wird und die dazu notwendigen Kenntnisse und Fähigkeiten werden in einer Erstausbildung, die oft durch "versuchstierkundliche Kurse“ erfolgt, vermittelt. Diese hat das Ziel, dass die Arbeit mit lebenden Tieren ohne vermeidbare Schmerzen, Leiden oder Schäden unter Aufsicht aufgenommen wird. Einige Fähigkeiten werden an lebenden Tieren erlernt, da ein alleiniges Training an tierversuchsfreien Methoden nicht ausreichen würde, um die Personen angemessen vorzubereiten. Dies ist nach deutschem und europäischen Recht ein Tierversuch, in dem das 3R-Prinzip ebenfalls umgesetzt werden muss.

Die Anwendung von Simulatoren birgt großes Potenzial, die Versuchstiere im Sinne des 3R-Prinzips zu schützen. Es sind zwei Maus- und sechs Rattensimulatoren derzeit kommerziell erhältlich. An ihnen können versuchstierkundliche Techniken, wie das Handling und die manuelle Ruhigstellung der Tiere, kleinere Routineeingriffe oder mikrochirurgische Techniken geübt werden.

Aufgrund des Mangels fundierter wissenschaftlicher Erkenntnisse über diese Simulatoren wurden in der vorliegenden Arbeit alle im Jahre 2018 erhältlichen Simulatoren systematisch evaluiert. Ziel war es, anhand der erhobenen Daten eine umfassende Bedarfs- und Anforderungsanalyse für den Bau eines neuen Simulators zu erstellen. Zusätzlich sollte durch die Ergebnisse die gegenwärtige Relevanz dieser Simulatoren als Maßnahme im Sinne des 3R-Prinzips analysiert werden.

In einem multiperspektivischen Ansatz wurden die Simulatoren in zwei unabhängigen Evaluationsstudien untersucht.

In der ersten Evaluationsstudie, einer Online-Befragung an Kursleitenden und Betreuenden versuchstierkundlicher Kurse, wurden die Benutzungshäufigkeit und Zufriedenheit der erhältlichen Simulatoren aus Sicht der Lehrenden sowie deren Anforderungen an neue Simulatoren analysiert. Es zeigte sich, dass die Simulatoren nur marginal zum Einsatz kamen und sie die Anforderungen der Befragten nicht erfüllen konnten. Es ergab sich ein Bedarf an optimierten, realistischeren, finanziell erschwinglichen und robusten Maus- und Rattensimulatoren für die versuchstierkundliche Lehre sowie Aus-, Fort- und Weiterbildung, die neben den bereits abgedeckten Techniken weitere Techniken zur Übung anbieten sollten.

In der zweiten Evaluationsstudie wurden die Rattensimulatoren mit Teilnehmenden versuchstierkundlicher Kurse praktisch evaluiert. Dies geschah durch einen Simulator-Workshop und einen zweiteiligen schriftlichen Fragebogen. Die Teilnehmenden beurteilten die Übung an den Simulatoren jeweils vor und nach der Übung am lebenden Tier im versuchstierkundlichen Kurs. Anhand der Ergebnisse wurden die Lerneffektivität der Rattensimulatoren, die Zufriedenheit über die Simulatoren und die Anforderungen an neue Simulatoren aus Sicht der Teilnehmenden analysiert. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die evaluierten Simulatoren als unterstützendes Ausbildungsmaterial – unter Berücksichtigung einiger Einschränkungen – genutzt werden können. Es zeigte sich, dass eine Übung an Simulatoren möglicherweise bestehende Ängste und Barrieren im Umgang mit lebenden Tieren mindern kann. Allerdings wurden die evaluierten Simulatoren aus Sicht der Lernenden nicht als ausreichendes Ersatzmittel im Sinne des 3R-Prinzips angesehen.

Ein Training an den evaluierten Simulatoren scheint sich durch die bessere Vorbereitung der Auszubildenden positiv auf das Wohlbefinden der Versuchstiere auszuwirken („Refine“). Es besteht ein Potenzial, durch die Simulatoren die Anzahl an Versuchstieren zu reduzieren („Reduce“), wenn sie für Demonstrationszwecke oder für das Üben von Techniken, die nur einmal an einem lebenden Tier vorgenommen werden können, genutzt werden. Durch die evaluierten Simulatoren kann, auch in Kombination mit den derzeit vorhandenen tierversuchsfreien Methoden, das Training an lebenden Tieren zur versuchstierkundlichen Erstausbildung noch nicht vollständig ersetzt werden („Replace“). Es besteht Bedarf an optimierten, realistischeren und kostengünstigeren Maus- und Rattensimulatoren, um die Umsetzung des 3R-Prinzips voranzutreiben. Die Ergebnisse sollen in die Entwicklung eines neuen Simulators einfließen. Darüber hinaus dienen sie als Startpunkt für weitere Untersuchungen in diesem Forschungsfeld und sollen das Wissen und das Interesse an simulatorgestütztem Training steigern.

Die vorliegende Arbeit „Datenanalyse von zwanzig ostwestfälischen Ferkelproduktionsbetrieben im Hinblick auf die intestinale Gesundheit und den Einsatz von Zinkoxid in der Absetzphase“ untersucht die Auswirkungen verschiedener betrieblicher Faktoren auf die Darmgesundheit von Ferkeln sowie den Einsatz von Zinkoxid in sogenannter pharmakologischer Dosierung nach dem Absetzen. Zinkoxid wurde bis Juni 2022 in bedarfsüberschreitender Dosierung präventiv und zur Therapie von Durchfallerkrankungen bei Ferkeln verwendet, diese Praxis ist jedoch aufgrund von Umweltbedenken und der Förderung von Antibiotikaresistenzen mittlerweile verboten. Das Ziel der Arbeit war es, betriebliche Strategien und einen möglichen Zusammenhang mit der Darmgesundheit und dem Auftreten von Durchfallerkrankungen bei Ferkeln zu identifizieren.

Zwanzig Ferkelproduktionsbetriebe in Ostwestfalen wurden hinsichtlich betrieblicher Kennzahlen, Haltungsbedingungen, Fütterungsstrategien und Gesundheitsmanagement analysiert. Dabei wurden insbesondere die Auswirkungen der Haltung und Fütterung und des Zinkoxideinsatzes auf die Darmgesundheit von Ferkeln vor und nach dem Absetzen untersucht. Die Datenerhebung umfasste klinische Daten, Klimamessungen sowie die Erfassung von Fütterungs- und Leistungskriterien.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Tiergesundheit in Abhängigkeit von den Haltungsbedingungen, dem Management und der Fütterung variierte. Betriebe unterschieden sich dadurch deutlich im Gesundheitsstatus der Ferkel, besonders im Hinblick auf das Auftreten von Durchfallerkrankungen. Der Einsatz von Zinkoxid war mit geringeren Durchfallraten verbunden. Betriebe, die Zinkoxid in pharmakologischer Dosierung verwendeten, wiesen eine niedrigere Mortalität während der Ferkelaufzucht und Mastperiode auf. Alternativen zum Einsatz von hohen Zinkoxidkonzentrationen im Futter wurden in vielen Betrieben genutzt, insbesondere die Anpassung der Protein- und Aminosäuregehalte im Futter der Absetzferkel. Es wurde festgestellt, dass eine Reduktion des Rohproteingehalts in der Ferkelfütterung und ein Ausgleich mit essenziellen Aminosäuren in vielen Betrieben umgesetzt wurde, mit dem Ziel die Darmfunktion positiv zu beeinflussen. Regelmäßig wurden diätetische Faserstoffe und zootechnische Futtermittelzusatzstoffe, insbesondere probiotisch wirksame Mikroorganismen eingesetzt. Das Biosicherheitsmanagement wies zwischen den Betrieben deutliche Unterschiede auf. Die Bedeutung der intestinalen Mikrobiota wurde in einer assoziierten Arbeit untersucht (Lührmann et al. 2021).

Die vorliegende Datenbasis zeigt vielfältige Bestrebungen zur Etablierung einer optimalen Fütterungsstrategie zur Verbesserung von Gesundheit und Leistungsfähigkeit von Ferkeln. Es besteht die Notwendigkeit weiterer Forschung zur Entwicklung nachhaltiger Alternativen zum Zinkoxideinsatz und zur Verbesserung des Managements in der Ferkelproduktion. Die Arbeit zeigt, dass eine ganzheitliche Betrachtung von Haltungsbedingungen, Fütterungsstrategien und Gesundheitsmanagement notwendig ist, um die Gesundheit von Ferkeln zu verbessern und Durchfallerkrankungen effektiv vorzubeugen. Der Verzicht auf Zinkoxid erfordert die Entwicklung und Implementierung alternativer Strategien, die gleichermaßen wirksam und umweltverträglich sind.

Saturn’s vast ring system is unique in our solar system. The Cassini spacecraft, which orbited Saturn for 13 years, provided the most detailed insight into its formation and composition so far. The dust instrument onboard, the Cosmic Dust Analyzer (CDA), recorded in situ time-of-flight mass spectra of numerous sub-μm to μm sized dust particles. These particles were mostly sampled in the E ring, a diffuse ring which is made of constantly replenished icy material ejected from the cryo-volcanic plumes of the icy moon Enceladus. However, another significant amount of the CDA data stems from the inner Saturnian system. There, detected particles originate from the main rings or surfaces of the small satellites nearby. This work presents the first detailed analysis of CDA data recorded in the inner Saturnian system – within the orbit of the moon Mimas. That region was intensively investigated during the end phase of the Cassini mission. Two sets of orbits, the “Ring-Grazing” and the “Grand Finale” orbits, were performed. During the Ring-Grazing orbits not only dust particles from the inner edge of the E ring with the three known main types of water ice particles – pure water ice, organic-enriched and salt- rich ones – were measured, but also particles from other sources such as the main rings or the so-called Janus/Epimetheus ring were detected. The latter was sampled multiple times during Cassini’s ring plane crossings. Based on the compositions of moon ejecta sampled in the ring, the surfaces of these two co-orbital moons appear to be covered with E ring material. The study also reveals that the E ring grains detected just outside of the main rings have a similar age as particles in the outer E ring (beyond 8 Saturn radii, RS). Apart from icy particles, the data analysis revealed additional compositional types, attributed to different mineral species. One is a silicate/water ice mix type, which is unique for the sampled region and was never observed in the Saturnian system before. The composition and prograde dynamics of this specific type argue for a relatively young particle age and suggest a local source, such as Janus and Epimetheus. Mineral dust particles were measured in larger abundance inside of the main rings, an area that was investigated by Cassini during the Grand Finale orbits. This extremely fine mineral dust, with sizes typically below 100 nm, can mostly be attributed to silicates and is one of the main focuses of this work. They are attributed to a population ejected from the main rings by micrometeoroid impacts and thus show the highest abundance near Saturn’s ring plane. However, also at higher latitudes of up to 3 RS vertical distance from the ring plane, CDA detected numerous silicate grains. This from a dynamical point of view unexpected finding raises questions about the particles’ origin. Due to CDA’s relatively low mass resolution (m/dm = 20–50), individual mass peaks could not be entirely resolved in the respective mass spectra. Thus, a deconvolution method was developed and applied to the spectra in the course of this work, allowing to determine the elemental composition of the silicate grains and in turn make a statement on their source. The silicates were found to have magnesium, silicon, and calcium abundances close to cosmic (CI chondritic) abundances, with iron being significantly depleted. This finding is valid for both the population near the ring plane and that at high latitudes. The iron depletion however is unexpected when comparing the compositions to those of interplanetary dust particles (IDPs) that were sampled by CDA in the Saturnian system. Those are assumed to contaminate and darken the main rings over time – a process used in recent studies to determine the age of Saturn’s main rings. This exogenous material is found to be rich in iron and mostly attributed to iron sulfides. Sulphur is only found in a handful of the silicates of this work, suggesting a connection between these dust populations, but at the same time – together with the iron depletion – arguing for compositional processing of the IDPs within the rings. We find that the most likely mechanism generating the observed iron-depleted silicates is chemical alteration of the IDPs induced by their high speed impacts onto the ring material. This process might due to reactions with water ice – the main constituent of Saturn’s rings – simultaneously lead to an accumulation of iron there, likely in the form of iron oxides. Since the compositions of the silicates detected high above and below the ring plane clearly resemble those of the particles near the rings, an origin from the main rings seems plausible, as well. We carried out dynamical simulations that can explain the surprising detection locations of the dust particles as a result of high ejection speeds (>25 km s–1) from the ring plane in combination with trajectories shaped by electromagnetic forces.

The generation of movements is a fundamental function of the central nervous system. The neural circuits responsible for the execution of motor commands are distributed throughout the spinal cord and regulate the coordinated activation of multiple muscles across different joints and body regions, in response to motor and sensory stimuli. Therefore, effective communication between different spinal segments is essential for ensuring a synchronized motor performance. Recent studies have highlighted the importance of long-projecting spinal interneurons, known as propriospinal neurons (PN), in coupling distant spinal circuits to guarantee limb coordination and postural stability during locomotion. However, their subtype identity and precise functions are not yet completely understood. Here, we set out to systematically characterize PN from an anatomical, molecular, and functional perspective. First, by using rabies retrograde tracing, we studied the anatomical organization of ascending (a) and descending (d) PN. Second, we performed transcriptional analysis to reveal their molecular signatures. In particular, we characterized three different populations of aPN whose properties are consistent with two ventral cardinal interneuron subtypes (V0G and V3) and a specific subset of neurons expressing Sst, residing in a stereotyped and conserved position in the lateral deep dorsal horn. Finally, by taking advantage of the identified anatomical and molecular features, we designed intersectional strategies to unravel the functional roles of V0G and Sst+ aPN subtypes in vivo. Our results show that V0G aPN play a crucial role in modulating corrective motor reflexes, while Sst+ aPN appear to be involved in regulating sensorimotor integration. Taken together, our findings provide new insights into the anatomical and molecular diversity of PN subtypes and pave the way for future research into their functional significance for motor and sensorimotor control.

Inflammation, followed by an anti-inflammatory phase mediated by immune cells, is essential for tissue healing. Prolonged inflammation caused by severe injuries can impair regeneration. Elderly patients suffering from major trauma, such as a hip fracture, are at high risk for delayed healing due to excessive inflammation. This leads to muscle loss and fibrosis post-surgery, which reduces the quality of life and increases mortality in this cohort. Cell therapy could support patients in their regenerative process. This thesis investigates the immunomodulatory effects of placenta derived stroma cell (PLX-PAD) therapy on muscle repair in a Phase III study. PLX-PAD promotes the differentiation and migration of muscle precursor cells in vitro. Their unique properties counteract pro-inflammatory stimuli from activated immune cells. Injection of PLX-PAD during surgery resulted in improved muscle strength and volume, highlighting their therapeutic potential. Fracture healing shares similarities with muscle regeneration, where prolonged inflammation can lead to delayed healing and non-union of bones. This process is influenced by the individual immune cell composition in the local hematoma, bone marrow, and peripheral blood. This work reveals how fracture hematoma is a distinct and transient tissue with diverse immune cell subsets, including B cells. B cells appear to play a role in fracture healing, but their role in trauma has not been characterized well. B cells in the fracture situation shed the complement receptor CR2/CD21, likely triggered by cell-free DNA released from damaged cells. Fracture hematoma also induced the dsDNA Toll-like receptor 9 in vitro. This activation may help clear cellular debris and promote an anti-inflammatory environment. As described in the literature, the expected antibody response upon CD21/TLR9 activation did not yield conclusive results in this study and corresponding cell cultures. Due to the unpredictable nature of trauma, patient-specific research is challenging. A bone and bone marrow organ-on-a-chip system was developed to replicate the immune composition of patients and predict clinical outcomes, such as the impact of metal implant debris. This system will be further refined to study fracture healing over time while preserving individual donor variability. In summary, this thesis emphasizes the importance of modulating the local microenvironment for musculoskeletal regeneration by interacting with pro-inflammatory immune cells and fostering an anti-inflammatory milieu necessary for successful healing.

Flüchtlingslager sind der Inbegriff von Displacement. Sie gelten als geschlossene und isolierte Räume, die vom ökonomischen, kulturellen und sozialen Austausch mit der Aufnahmegesellschaft und weiterreichenden Netzwerken abgeschnitten sind. Sie werden als »Nicht-Orte« wahrgenommen, an denen Menschen nur vorübergehend zusammenkommen, ohne eine Beziehung zueinander oder zu diesem Ort zu entwickeln. Die Vorstellung, dass Flüchtlinge in Lagern in einem sozialen »Schwebezustand« leben, hat zudem zu der Annahme geführt, dass kollektive Veränderungsprozesse an diesen Orten zum Stillstand gekommen sind. In meiner Arbeit zeige ich jedoch, dass Flüchtlingslager auch Orte des Emplacement sein können, an denen neue kollektive soziale, politische und räumliche Zugehörigkeiten entstehen. Emplacement bezeichnet den Prozess, in dem Menschen sich einen unwirtlichen Ort aneignen und ihn mit der Zeit in einen Ort der Zugehörigkeit transformieren. Ich untersuche diesen Prozess am Beispiel der saharauischen Flüchtlingslager in Algerien, eine der langwierigsten Flüchtlingssituationen weltweit. Die Lager sind charakterisiert durch den Kampf der saharauischen Bevölkerung um die noch immer ausstehende Dekolonisierung ihres Landes, der Westsahara, und durch tiefgreifende sozioökonomische Veränderungen. In diesen Prozessen spielt Mobilität eine wichtige Rolle. Sie ist in den letzten Jahrzehnten sehr facettenreich, zirkulär und transnational geworden und erstreckt sich über die Flüchtlingslager, Nordwestafrika, Europa, Asien und die Amerikas. In meiner Arbeit zeige ich auf, wie sich die sozialen, politischen und räumlichen Zugehörigkeiten saharauischer Flüchtlinge in diesem Kontext entwickelt haben, und gehe insbesondere auf die Erfahrungen der zweiten Flüchtlingsgeneration ein. Damit trage ich zu einem erweiterten Verständnis des Zusammenhangs von Ort und Zugehörigkeit in langwierigen Flüchtlingslagern bei.

Das Ziel der Studie war es, verschiedene diagnostische Möglichkeiten zur Bewertung des Säuren-Basen-Status (SBS) bei Milchkühen unter den Bedingungen der landwirtschaftlichen Praxis zu evaluieren, um fütterungsabhängige, subklinische Störungen des SBS in einer Tier- bzw. Fütterungsgruppe frühzeitig zu erkennen. In Teilstudie 1 wurde die seit mehreren Jahrzehnten etablierte Harnanalyse zur indirekten Beurteilung des SBS mittels drei Verfahren zur titrimetrischen Bestimmung der Netto-Säuren-Basen-Ausscheidung (NSBA) im Harn angewandt, sodass der SBS von 127 Kuhgruppen anhand der einfachen NSBA nach Kutas, der differenzierten NSBA nach Lachmann und Schäfer sowie des vereinfachten NSBA-Siebtestes mit reduziertem Probenvolumen nach Furcht und Grätsch bewertet wurde. Berücksichtigt wurden dabei die Einzeltierergebnisse von 855 Milchkühen der Rasse „Deutsch Holstein“ aus 43 Thüringer Milchviehbetrieben. Die Tiere wurden im Rahmen eines Gesundheitsmonitorings in verschiedenen Laktationsstadien als „Trockensteher“ (21 bis sieben Tage ante partum), „Frischabkalber“ (zwei bis 10 Tage post partum) oder „laktierende Kuh“ (30 bis 100 Tage post partum) beprobt. Die Beurteilung der Ergebnisse von Poolproben aus drei bis 10 Einzeltieren eines Laktationsstadiums wurde der Bewertung anhand der Einzeltierergebnisse gegenübergestellt. Als Referenz galt die Bewertung des Basen-Säuren-Quotienten im Harn nach Lachmann und Schäfer, da dieser Quotient von der Harnkonzentration unabhängig ist und damit den Goldstandard für die Bewertung des SBS im Harn darstellt. Die einfache NSBA nach Kutas auf Einzeltierbasis erwies sich als geeignet, um Abweichungen des SBS in einer Tiergruppe zu detektieren. Azidotisch belastete Kuhgruppen wurden mit einer Sensitivität von 87 % bei einer Spezifität von 71 % und alkalisch belastete Kuhgruppen mit einer Sensitivität und Spezifität von je 83 % erkannt. Die Beurteilung des SBS im Harn mittels differenzierter NSBA wies lediglich in dem eingeschränkten Bereich von 20 – 200 mmol/l einen linearen Zusammenhang zwischen dem errechneten Mittelwert einer Kuhgruppe und dem gemessenem Poolwert auf. Die differenzierte NSBA als Poolwert zeigte eine mäßige Sensitivität (74 %) zur Erkennung azidotisch belasteter Kuhgruppen und eine schlechte Sensitivität (48 %) zur Erkennung alkalisch belasteter Kuhgruppen. Die NSBA-Siebtest-Methode erwies sich aufgrund einer schlechten Sensitivität (57 %) und Spezifität (63 %) zur Erkennung alkalisch belasteter Kuhgruppen als nicht geeignet zur Überwachung des SBS einer Milchviehherde. In der Teilstudie 2 wurden an einem Teil der Studientiere (n = 145 aus 14 Betrieben) die Harnparameter zur Bewertung des SBS über eine hierarchische Clusteranalyse mit im peripheren Blut gemessenen metabolischen Parametern und den Ergebnissen der venösen Blutgasanalyse verknüpft. Die Variablen der traditionellen SBS-Analyse nach Henderson-Hasselbalch, die Bikarbonat-Konzentration, der Base Excess und die Anionenlücke (AG), wurden den Variablen des Strong-Ion Konzeptes nach Stewart und Constable gegenübergestellt. Studieninterne Referenzwerte wurden hierfür aus einer Stichprobe von metabolisch unauffälligen Kühen ermittelt. Subklinische, gemischte Störungen des SBS konnten durch die Berechnung und Bewertung der Variablen Strong Ion Difference (SID) und Acid Total (Atot) sicher erkannt und differenziert werden, wobei der Einfluss von Laktationsstand und Rationszusammensetzung auf diese Variablen nachweisbar war. Anhand einer kleinen Kuhgruppe (n = 5 Tiere) wurde zudem deutlich, dass sich eine ketotische Belastung nur im SBS-Modell nach Constable widerspiegelt, indem die Variable SIG (strong ion gap) signifikant erniedrigt war. Die venöse Blutgas- und Elektrolytanalyse mit der Einbeziehung des Strong-Ion-Konzeptes erwies sich als eine sinnvolle diagnostische Ergänzung zum Auffinden von subklinischen Störungen des SBS von Milchkühen. Aufgrund der präanalytischen Anforderungen, die unter landwirtschaftlichen Praxisbedingungen nur schwer erfüllbar sind, wird sie in der Routinediagnostik jedoch keine Alternative für die herkömmliche Beurteilung des SBS im Harn der Kühe darstellen können. Das Fehlen von validen Referenzwerten für die Variablen SID, Atot und SIG für Milchkühe stellt zudem ein Problem für die Anwendung des Strong-Ion-Konzeptes zur Beurteilung des SBS von Milchviehherden dar und sollte durch künftige Studien behoben werden. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Bestimmung der einfachen NSBA im Harn nach Kutas eine in der Praxis valide diagnostische Möglichkeit darstellt, um den SBS von Milchviehherden zu überwachen und fütterungsbedingte, subklinische Störungen in der Herde zu erkennen. Die Bewertung von Poolproben zur Beurteilung des SBS einer Kuhgruppe ist dabei nur eingeschränkt möglich, sodass der Bestimmung und Beurteilung von Einzeltier-proben der Vorzug zu geben ist. Bei Bedarf und unter Einhaltung der präanalytischen Voraussetzungen kann die Harnanalyse sinnvoll durch venöse Blutanalysen und Ein¬beziehung der Variablen des Strong-Ion-Konzeptes ergänzt werden.

Die Fontan-assoziierte Lebererkrankung (Fontan-associated liver disease, FALD) ist eine der häufigsten Sekundärorganerkrankungen bei Patientinnen und –Patienten mit einer Fontan-Zirkukation. Unter FALD werden alle strukturellen, laborchemischen und funktionellen hepatischen Abnormalitäten zusammengefasst, welche durch die unphysiologische Fontan-Zirkulation entstehen. Im Konsens wird von einer multifaktoriellen Pathogenese basierend auf den hämodynamischen Charakteristika des Fontan-Kreislaufes und den hieraus resultierenden Veränderungen der hepatischen Zirkulation ausgegangen. In der vorliegenden Arbeit wurden sechs Publikationen zu dem Thema Langzeitkomplikationen der univentrikulären Palliation mit dem Schwerpunkt der FALD vorgestellt. Die Arbeiten umfassten Querschnittstudien zur Erfassung der morphologischen und funktionellen Merkmale der FALD. Den Schwerpunkt der Studien stellten die Untersuchung der Einflussparameter auf die Entstehung und den Progress dieser Sekundärorganerkrankung dar.

Pyrrolizidine alkaloids are secondary plant metabolites that are found in herbal medicines and supplements, as contaminants in food such as teas and spices and in livestock feed. Within this structurally diverse group, the 1,2-unsaturated pyrrolizidine alkaloids (PAs) are subject of drug and food safety assessment due to their hepatotoxic, genotoxic and carcinogenic effects. Retrorsine, a prototypic hepatotoxic PA, is one of the most frequently detected PAs in tea samples. Current risk assessment is facing data gaps for PAs including retrorsine not only with regard to their absorption, distribution, metabolism and excretion (ADME) characteristics, but also in vivo dose-response studies that are needed to derive health-based exposure limits for consumers are missing. In addition, cytochrome P450 (CYP) 3A4 induction by drugs increases the formation of toxic CYP3A4 metabolites and thereby potentially enhances PA toxicity. However, a quantitative analysis of PA-drug interactions in humans is lacking. The objectives of this doctoral work were (1) in vitro ADME characterization of PAs (2) development and evaluation of a physiologically-based pharmacokinetic (PBPK) model for PAs including relevant biomarkers for hepatotoxicity, (3) in vitro-to-in vivo extrapolation of cellular hepato-cytotoxicity data by means of reverse PBPK modeling for mice and rats (4) PBPK-based simulation of human PA kinetics with CYP3A4 induction under patient-relevant conditions. Apart from the relevance for food safety, we selected retrorsine as representative PA for PBPK model development due to the availability of in vivo kinetic data of the parent compound and its CYP3A4 metabolites, speciffcally toxic DNA and protein adducts as well as detoxifying glutathione conjugates, in mice and rats. Since key in vitro ADME characteristics for retrorsine like lipophilicity, blood partitioning, plasma protein binding, intestinal absorption, hepatic uptake and metabolism are hitherto unknown, we designed, executed and analyzed corresponding experiments. Lipophilicity and blood partitioning were determined for retrorsine and additional PAs intermedine, lasiocarpine, monocrotaline and their N-oxides (PANOs). Remaining unknown parameters of the retrorsine PBPK model were estimated based on the available in vivo kinetic data using maximum likelihood estimation and Monte Carlo analysis. The PBPK model was evaluated with separate in vivo kinetic data. For extrapolation of liver toxicity, in vitro concentration-response data for retrorsine obtained from cytotoxicity assays with primary mouse and rat hepatocytes were translated to in vivo dose- response data by PBPK-based reverse modeling. We performed benchmark dose modeling of predicted dose-response data to obtain benchmark dose confidence intervals for acute liver toxicity of retrorsine in mice and rats. Regarding CYP3A4 induction, we focused on the antibiotic rifampicin due to its fullly available PBPK characterization for human. Daily intake of retrorsine from herbal tea was simulated for a time span of five weeks accompanied by a daily therapeutic dose of rifampicin for two weeks. PAs and PANOs were hydrophilic and had a low binding affinity toward red blood cells. Plasma protein binding of retrorsine was low indicated by the fraction unbound in plasma of 60.0%. The estimated fraction absorbed from the intestine of retrorsine was high (78.3%). Hepatic uptake of retrorsine showed species differences up to factor 2 between humans, rats and mice (1.02, 0.887 and 0.516 mL/min/g liver, respectively). Species-differences up to factor 4 were observed for the liver metabolic clearance of retrorsine, which was highest in rats, followed by humans and mice (2.07, 1.03 and 0.497 mL/min/g liver, respectively). The PBPK model of retrorsine was based on a generic structure with 13 anatomical compartments. Implementation of the liver compartment according to the extended clearance model allowed to integrate liver metabolism and transport. Unknown PBPK model parameters, speciffically intestinal absorption rate constant, biliary clearance and parameters related to formation and depletion of DNA and protein adducts and glutathione conjugates, were estimated with high precision. The parametrized PBPK model showed convincing predictivity by adequately describing hepatic retrorsine kinetics and its DNA adducts in mice. Translation of measured in vitro hepato-cytotoxicity data to in vivo acute liver toxicity of retrorsine resulted in benchmark dose 90% confidence intervals of 24.1 to 88.5 and 79.9 to 104 mg/kg body weight in mice and rats, i.e. that a single oral dose of retrorsine within this interval leads to a 5% increase in liver toxicity. For the simulated CYP3A4 induction, a reduction of retrorsine plasma 24 h-area under the curve and maximum concentration was observed. This reduction was strongest directly after rifampicin discontinuation (to 67% and 74% compared to rifampicin-free reference, respectively). Retrorsine kinetics returned to baseline 14 days after stop of rifampicin intake. After five weeks, the cumulative formation of toxic CYP3A4 metabolites of retrorsine, increased to 254% (from 10 to 25 nmol) in the intestine due to the impacted metabolism kinetics, but not in the liver (57 nmol). In summary, the developed PBPK model allowed to predict benchmark dose confidence intervals for acute liver toxicity based on in vitro data in absence of in vivo dose-response studies. Furthermore, the PBPK approach was shown to be an efficient tool to explore the interplay of enzyme induction and toxification pathways. Prospectively, the model can be utilized as a flexible tool for extrapolation to other relevant species or other hepatotoxic PAs.

Chronic granulomatous disease (CGD) is a rare primary immunodeficiency affecting one in 250,000 individuals, caused by defects in genes encoding the NADPH oxidase (NOX) complex in phagocytes. X-linked CGD (X-CGD) results from mutations in the CYBB gene encoding the gp91phox subunit, impairing the generation of superoxide required for pathogen elimination. Current treatments include lifelong antimicrobial prophylaxis, interferon-gamma therapy, corticosteroids, and, occasionally, hematopoietic stem cell transplantation (HSCT), though their limitations necessitate new therapeutic strategies. Gene therapy is a promising approach for monogenic diseases like X-CGD, with hematopoietic stem cells (HSCs) offering an ideal target due to their differentiation capacity. However, limited HSC availability and expansion efficiency pose challenges. Mouse models with patient-derived mutations provide an unlimited HSC source for optimizing gene therapy techniques. This study characterizes the first X-CGD mouse model carrying a patient-derived mutation, replicating disease symptoms and phenotype. A CRISPR/Cas9 homology-directed repair (HDR) strategy was developed to correct the Cybb gene mutation, validated through genomic, protein expression, and functional analyses, together with an off-target assessment confirming the specificity and safety of the gene-editing approach. Additionally, the study explored HIROS (homology-independent replacement of sequence) for Cybb gene correction, offering insights despite suboptimal efficiency at the targeted locus in HSCs. These findings contribute to advancing HSC gene therapy. In conclusion, this work deepens the understanding of X-CGD, establishes a mouse model carrying a patient-derived mutation, and develops gene correction strategies, providing a foundation for future therapeutic interventions targeting genetic disorders in hematopoietic stem cells.

The aim of this thesis is to construct efficient numerical solvers for linear saddle point problems arising from discretizations of phase-field models.

We are particularly interested in systems of Cahn–Hilliard and Penrose–Fife types. The numerical approximation of these models leads to large-scale nonsmooth nonlinear saddle point problems that have be solved in each time step. To efficiently treat these nonlinear problems, there is an efficient generalized Newton approach (NSNMG). Our attention then turns to the subproblems generated by the NSNMG method. More precisely, the NSNMG generates large linear saddle point problems whose solutions dominate the total computational time. Classical multigrid methods applied directly to these problems typically lack robustness.

These linear saddle point problems are heterogeneous in the sense that they can be decoupled into an elliptic problem on one part of the domain and a smaller-sized linear saddle point problem with the same structure on the remaining part of the domain. We develop and analyze an efficient and fast-converging domain decomposition algorithm in the context of Cahn–Hilliard equations.

For the (multi-phase) Penrose–Fife equations, we develop a symmetric positive definite Schur complement preconditioner, which is based on a spectrally equivalent approximation of the actual Schur complement.

Die kumulative Dissertation konzentriert sich vorwiegend auf die Beziehung zwischen rechtsextremen Einstellungen und rechtsextremen Straftaten bei Jugendlichen. Da solche Straftaten jedoch auch bei Jugendlichen nicht isoliert von ihrem sozialen Kontext betrachtet werden können, nimmt die Arbeit das soziale Umfeld der Jugendlichen in den Blick. Somit wird zum einen die Rolle der Einstellungen der den Jugendlichen nahestehenden Personen (Eltern, Freund*innen, Lehrkräfte) in der Beziehung zwischen rechtsextremen Einstellungen und Verhaltensweisen betrachtet. Zum anderen wird die Relevanz von Kontextmerkmalen der Schulklasse und des Landkreises untersucht. Neben der Fokussierung auf das soziale Umfeld wird in der vorliegenden Dissertation noch ein weiterer Themenbereich aufgegriffen. Im Zusammenspiel von Einstellungen und Verhalten stellt sich die Frage, welche weiteren Einstellungen neben der rechtsextremen Einstellung selbst vorliegen müssen, damit diese in entsprechendes Verhalten mündet. Es wird daher zudem die Verschwörungsmentalität als möglicher Katalysator in der Beziehung zwischen rechtsextremen Einstellungen und Straftaten untersucht, da sowohl der jugendliche Verschwörungsglaube an sich als auch seine Rolle im Kontext Rechtsextremismus bisher kaum erforscht sind. Anhand von vier Artikeln werden folgende Forschungsfragen untersucht: 1. Wie verbreitet sind rechtsextreme Einstellungen und Straftaten unter Jugendlichen (alle Studien)? 2. Welche potentiellen Bedingungsfaktoren rechtsextremer Straftaten lassen sich identifizieren (Studie 1)? 3. Inwiefern stehen menschenfeindliche Einstellungen mit der Ausführung politisch motivierter Taten in einem Zusammenhang (Studie 2)? 4. Inwiefern stehen menschenfeindliche Einstellungen und die (hypothetische) Befürwortung einer politisch motivierten Tat im sozialen Umfeld mit der Ausführung politisch motivierter Taten in einem Zusammenhang (Studie 2)? 5. Inwiefern verändert sich der Zusammenhang zwischen eigenen menschenfeindlichen Einstellungen und der Ausführung politisch motivierter Taten, wenn das soziale Umfeld diese (hypothetisch) befürwortet (Studie 2)? 6. Inwiefern verändert sich der Zusammenhang zwischen der (hypothetischen) Reaktion des sozialen Umfelds und der Ausführung politisch motivierter Taten bei unterschiedlicher Ausprägung der eigenen menschenfeindlichen Einstellungen (Studie 2)? 7. Inwieweit hängt der soziale Kontext in Niedersachsen in Form der Landkreise und Schulklasse mit der Ausprägung rechtsextremer Einstellungen von Jugendlichen zusammen und inwiefern unterscheidet sich der Zusammenhang zwischen den Dimensionen von Rechtsextremismus (Studie 3)? 8. Wie verbreitet ist eine Verschwörungsmentalität unter Jugendlichen (Studie 4)? 9. Inwiefern steht eine Verschwörungsmentalität mit der Ausprägung rechtsextremer Einstellungen und diskriminierender Verhaltensweisen gegenüber ausländischen und homosexuellen Personen in einem Zusammenhang (Studie 4)? 10. Welche Rolle spielt die Verschwörungsmentalität in der Beziehung zwischen rechtsextremen Einstellungen und diskriminierenden Verhaltensweisen gegenüber ausländischen und homosexuellen Personen (Studie 4)?