Die Recurrent airway obstruction (RAO) ist eine chronische Erkrankung der unteren Atemwege bei Pferden mit multifaktorieller Genese. Da es sich um eine sehr weit verbreitete Erkrankung in der Pferde-Population handelt, besteht ein großes Interesse daran, neben den bisher gängigen Therapeutika, die vor allem die Symptome bekämpfen, neue Behandlungsoptionen zu finden. Eine Therapieoption, die die Erkankung auf immunologischer Ebene modulieren kann, bietet die Inhalation von unmethylierten Cytosin-Phosphat-Guanin-Oligodeoxynukleotiden (CpG-ODN, kurz CPG). Das sind kurze DNA-Stränge, die aufgrund der Frequenz der Motive und dem Methylierungsgrad Ähnlichkeit mit der DNA von Bakterien bzw. Viren besitzen und somit vom Körper als fremd erkannt werden. Diese CpG könnten das Immunsystem weg von einer, bei Allergien dominierenden Th2-, hin zu einer spezifischen Th1-geprägten Immunantwort lenken. Um die Aufnahme der CpGs in die Zellen verbessern zu können und vor einem vorzeitigen Abbau der DNA durch Nukleasen zu schützen, werden als Trägersystem Gelatinenanopartikel (GNP) verwendet. In der aktuellen doppelt-verblindeten Studie wurden RAO-Pferde, mittels geschichteter Zufallverteilung randomisert, in drei unterschiedliche Behandlungsgruppen unterteilt. Dabei erhielt eine Gruppe eine einfache CpG-Dosis (CpGsd) von 187,5μg CpG/Inhalation, die zweite Gruppe die doppelte Dosis (CpGdd) mit 375μg CpG/Inhalation und die dritte Gruppe zum Vergleich eine etablierte Therapie mit Beclometason, einem inhalativen Kortikosteroid. Alle Pferde erhielten insgesamt 10 Inhalationen. Ziel der Studie war es den Behandlungserfolg durch die inhalative CpG-Therapie unter Beweis zu stellen sowie den Dosis-Wirkungs-Effekt und die Leistungsfähigkeit der CpG-Therapie im direkten Vergleich mit einer bewährten antiinflammatorischen Inhalationstherapie mit Beclometason zu evaluieren. In der verblindeten klinischen Feldstudie wurden insgesamt 29 RAO-Pferde in ihren Heimatställen behandelt. Bewertet wurde der Therapieeinfluss auf die klinischen Parameter Ruheatemfrequenz, Atemtyp, Nasenausfluss, Auskultation, Sauerstoffpartialdruck, Arterioalveoläre Sauerstoffdifferenz, Interpleuraldruck, Mukusmenge- bzw. –viskosität in der Trachea, Neutrophile in der BAL (Bronchoalveoläre Lavage), klinisches Scoring und HOARSI (Horse Owner Assessed Respiratory Signs Index). Dafür wurden alle Pferde drei Mal untersucht. Die erste Untersuchung erfolgte vor dem Start der Behandlung (US1), die zweite am Tage nach der letzten Behandlung (US2). Die dritte Untersuchung (US3) erfolgte acht Wochen nach der letzten Inhalation, um den Langzeiteffekt beurteilen zu können. Direkt nach der Behandlung bei US2 konnten sowohl die CpGsd Gruppe, die bei 90% der klinischen Parameter eine signifikante Verbesserung erzielen konnte als auch die CpGdd Gruppe, die bei 81% der gemessenen Werte signifikante Verbesserungen bewirken konnte, einen Vorteil gegenüber der Kortisontherapie (72%) aufweisen. Noch eindeutiger fielen die Ergebnisse, die bezüglich der Langzeitevaluierung erhoben wurden, aus. Hier ist mit der positiven signifikanten Beeinflussung von 100% der klinischen Parameter bei der CpGsd und 67% bei der CpGdd, im Vergleich zu 54% bei der Kortisontherapie, ein klarer Vorteil in der therapeutischen Wirksamkeit aufseiten der CpG-Behandlung zu erkennen. Als wichtiger Indikator für die antiinflammatorische Wirkung ist die langfristige signifikante Reduktion der Neutrophilen in der BAL durch die beiden CpG-Gruppen hervorzuheben, wohingegen bei der Beclometason-Inhalation hier keine signifikante Reduktion festgestellt werden konnte. Von besonderer Relevanz ist außerdem die Einschätzung der Pferdebesitzer bezüglich der klinischen Symptomatik mittels standadisiertem HOARSI-Fragebogen. Hier bewerteten die Besitzer beider CpG-Dosis-Gruppen den Zustand ihrer Pferde, 8 Wochen nach der Behandlung als signifikant besser als vor der Therapie, während die Einstufung der Verbesserung nach der Beclometason-Therapie nicht signifikant ausfiel. Da sich das gesamte klinische Bild für die Besitzer merklich verbesserte, konnte somit eines der wichtigsten Ziele der Behandlung erreicht werden. Die Erhöhung der CpG-Dosis auf die doppelte Menge konnte, auf die Gesamtzahl der klinischen Parameter gesehen, keine besseren Ergebnisse bewirken, als die ursprüngliche einfache Dosis. Die CpGsd konnte sogar bei einem breiteren Spektrum an klinischen Parametern eine signifikante Verbesserung erzielen als die CpGdd. Diese Ergebnisse sprechen daher also dafür, dass die einfache Dosierung (187,5μg CpG/Inhalation) zur Behandlung der RAO ausreicht. Hinsichtlich der Therapieverträglichkeit konnten keinerlei negative Auswirkungen auf die Patienten beobachtet werden. Auf immunologischer Ebene konnte nach der Behandlung mit CpGs signifikante Reduktionen des Th2-Zytokins IL-4 sowie des Th17-Zytokins IL-17 festgestellt werden. Beide Zytokine spielen eine Rolle in der Rekruitierung von neutrophilen Granulozyten. Auch wenn die Ergebnisse der mRNA-Auswertungen statistisch nicht signifikant waren, deutete auch hier eine Vielzahl der Ergebnisse auf eine tendenziell antiinflammatorische Wirkung durch die CpG-Therapie hin. Hier konnte u.a. die Tendenz einer Absenkung der IL-8- sowie der GATA-3-mRNA-Expression verzeichnet werden, was sowohl auf einen antiinflammatorischen, als auch einen immunmodulatorischen Effekt, weg von einer Th2-dominierten Immunantwort, hindeutet. In zukünftigen Studien wäre eine Untersuchung an einer größeren Patientengruppe wünschenswert, um ein noch besseres Verständnis der immunonologischen Verhältnisse in den unterschiedlichen Erkrankungsphasen (Remission oder Exazerbation) bei RAO erreichen zu können und damit die Aussagekraft hinsichtlich der therapeutischen Veränderungen noch weiter stärken zu können. Außerdem könnte eine größere Patientenzahl individuelle Schwankungen, v.a. der Zytokinergebnisse besser ausgleichen. Ein direkter Nachweis regulatorischer T-Zellen zur Evaluation des Therapieeinflusses auf die Tregs wäre in weiterführenden Studien wünschenswert. Da den Tregs in der Pathogenese des humanen Asthmas bereits eine wichtige Rolle zugesprochen wird, sollte deren Bedeutung in der RAO-Erkrankung genauer auf den Grund gegangen werden. Da humanes Asthma und die equine RAO hinsichtlich zahlreicher Aspekte, u.a. in der Pathogenese und dem Ansprechen auf Therapie, Parallelen aufweisen, wäre es wünschenswert, dass die Möglichkeit der inhalativen Therapie mit CpGs in zukünftigen Studien über die Behandlung von RAO hinaus, auch bei Asthma-Patienten in großangelegten Studien weiterführend untersucht wird.

Trakehner nehmen auch heute noch eine Sonderstellung in der deutschen Pferdezucht ein, denn diese Rasse ist die älteste Reitpferderasse Deutschlands. Seit Beginn ihrer Zuchtgeschichte wurden Trakehner als edle Reit- und Fahrpferde gezogen; Englische und Arabische Vollblüter prägten Typ, Härte und Leistungsvermögen. Eine Umzüchtung vom schweren Warmblüter, der in der Landwirtschaft eingesetzt wurde, zum edleren, leichten Reitpferd hat nie stattgefunden, da Trakehner immer schon als leichte Reit- und Fahrpferde für die Kavallerie gezogen wurden. Durch den starken Vollbluteinsatz wurden die Pferde eher zu leicht und durchliefen mehrere Verstärkungsperioden. Nach dem Zweiten Weltkrieg waren nur noch wenige Zuchtpferde für den Wiederaufbau der Zucht vorhanden. Durch die Ostblockbildung konnten sich Subpopulationen entwickeln, die auch in der ehemaligen Sowjetunion nach Reinzuchtkriterien weitergezüchtet wurden. Zur Bewahrung ihrer besonderen Genetik wurde die Zuchtmethode der Reinzucht bis heute beibehalten. Alle weiteren Warmblutzuchtverbände züchten mit mehr oder weniger geöffneten Stutbüchern. Durch die Reinzucht kann die besondere Genetik erhalten bleiben, die kleine Population erfordert aber eine gute Organisation, um die Inzuchtrate auf einem möglichst niedrigen Niveau zu halten. Die besonderen Reinzuchtbestimmungen ermöglichen eine Hereinnahme von Genen aus Englischen und Arabischen Vollblütern sowie Shagya- und Anglo-Arabern und reingezogenen Trakehnern aus dem Ausland. Diese Vergrößerung des Genpools hat eine traditionelle Grundlage, vergrößert die Varianz und verkleinert die Inzuchtrate. Trakehner werden heute weltweit gezüchtet. Zur Betreuung der ausländischen Züchter haben sich mehrere Tochterverbände gebildet. Für die vorliegende Untersuchung wurden die Leistungsmerkmale der aktiven Zuchtstutenpopulation aus dem Jahr 2014 in Korrelation zu dem Spezialblutanteil der Stuten untersucht. Mithilfe einer Pedigreeanalyse wurden die Stuten bezüglich ihres Spezialblutanteils in den ersten beiden Generationen in 5 Gruppen nach aufsteigendem Spezialblutanteil eingeteilt. Als Spezialblut bezeichnet werden Ahnen der Rassen Englisches Vollblut, Arabisches Vollblut, Shagya-Araber, Anglo-Araber und Pferde aus ausländischer Subpopulation. Insgesamt wurden die zentral vom Trakehner Zuchtverband und der FN erfassten Daten von 9915 Pferden ausgewertet. Im ersten Teil der Auswertung konnte gezeigt werden, dass mehr als ein Drittel der zuchtaktiv gemeldeten Stuten einen Spezialblutanteil ≥25 % aufweisen. Ein hoher Spezialblutanteil ist also auch in den vorderen Generationen etabliert. Im zweiten Teil wurden die leistungsbezogenen Daten der Stuten und ihrer Nachkommen analysiert. Die untersuchten Leistungsdaten sind Selektionskriterien im Zuchtprogramm. Untersucht wurden Daten aus Fohlenregistrierung, Stutbucheintragung, SLP und Turniersport. Die HLP- und Körergebnisse standen zur Verfügung, konnten aber nicht ausgewertet werden, da die Datenmenge zu klein oder die Daten nicht vergleichbar waren. Als Vergleichsgruppe wurden jeweils Stuten ohne Spezialbluteinfluss in den ersten beiden Generationen herangezogen. Diese Vergleichsgruppe wurde dann jeweils mit den Pferden der unterschiedlichen Spezialblutgruppen verglichen. Die Leistungsdaten der Stuten wurden über eine Varianzanalyse oder mithilfe der logistischen Regression verglichen. Für die Daten der Nachkommen wurde ein gemischtes Modell entwickelt. Die deutschen Reitpferdezuchtverbände verfolgen alle das Zuchtziel einer Leistungszucht auf Reitpferdemerkmale. Die Selektion verläuft über mehrere Selektionsstufen vom Fohlen bis zum Reit- oder Zuchtpferd. Die Selektionskriterien, die auf Zuchtleistungsschauen beurteilt werden, lassen sich in die Hauptblöcke Grundgangarten, Springveranlagung und Exterieur gliedern. Interieur- und Gesundheitsmerkmale werden nur in geringem Umfang erfasst. Die untersuchten Merkmale, die bei der Selektion berücksichtigt werden, konnten durch Einkreuzung von Spezialblutpferden nicht verbessert werden. Die Nachkommen wurden jeweils bezogen auf die Fremdblutgruppe der Mutter nach gleichem Muster analysiert. In der statistischen Auswertung konnte gezeigt werden, dass die Einkreuzung von Spezialblut keinen positiven Einfluss auf die untersuchten Leistungsmerkmale hat. Für viele Merkmale konnte kein signifikanter Effekt auf die Bewertung nachgewiesen werden. Die Leistungsmerkmale, die signifikant negativ beeinflusst werden, weisen eine lineare Beziehung zum Spezialblutanteil auf. Hier wird die Bewertung mit steigendem Spezialblutanteil schlechter. Die Berücksichtigung dieser Ergebnisse erfordert ein kritisches Hinterfragen des Spezialbluteinsatzes. Die untersuchten Leistungsmerkmale stellen allerdings Selektionskriterien für eine gerichtete Reitpferdeselektion dar, die Merkmale, welche durch den Spezialbluteinfluss verbessert und gefestigt werden sollen, nur unzureichend erfassen. Da die Trakehner Zucht durch ihre kleine Populationsgröße auf eine Erweiterung des Genpools angewiesen ist, sollten konkrete, messbare Zuchtziele formuliert werden, um Zweck und Erfolg einer Spezialbluteinkreuzung zu überprüfen. Soll die Zuchtpopulation weiterhin nur über die untersuchten Merkmale selektiert werden, sollte der Spezialbluteintrag zu Gunsten eines größeren Zuchtfortschritts auf ein vertretbares Minimum reduziert werden.

In der vorliegenden retrospektiven Studie (01.01.2010–31.08.2015) aus der Klinik für kleine Haustiere der Freien Universität Berlin wurden die Patientenakten der Hunde analysiert, die aufgrund einer arthrosebedingten Lahmheit vorgestellt wurden. Die Ursache der Funktionsstörung musste Karpal-, Ellenbogen-, Schulter-, Tarsal-, Knie- und/oder Hüftgelenk(e) betreffen. Das Ziel war, die häufig verwendeten Antiphlogistika/Analgetika Rimadyl®, Previcox®, Cimalgex® plus Gabapentin®, Phen-Pred®, Metacam®, Novaminsulfon® und Trocoxil® im Hinblick auf Wirksamkeit und Nebenwirkungen miteinander zu vergleichen. Im Ergebnis erwies sich keines der Medikamente weder als signifikant wirkungsvoller noch als signifikant nebenwirkungsbehafteter. Insgesamt konnte mit einem dieser Präparate eine ausgeprägte Optimierung der Funktion um einen Lahmheitsgrad in 48,2 %, um zwei Grade in 18,2 % sowie um drei Grade in 4 % der Fälle erzielt werden. Bei über 85 % der Patienten, die ausschließlich mit dem erstgewählten Präparat behandelt wurden, waren keine Nebenwirkungen zu vermerken. Nach Applikation eines Zweitpräparates konnten mit 28,9 % nahezu doppelt so häufig Nebenwirkungen festgestellt werden. Wurde aufgrund dessen wie zuvor auf ein Drittpräparat umgestiegen, kam es bei nur einem Patienten zu Nebenwirkungen. Die unerwünschten Wirkungen betrafen bis auf eine Ausnahme ausschließlich den Verdauungstrakt. Tendenziell erwies sich Previcox® als am nebenwirkungsärmsten, während Phen-Pred® am häufigsten nebenwirkungsbehaftet war. Auffällig präsentierte sich die signifikante Häufung der Nebenwirkungen bei einer kombinierten Verabreichung der Medikamente mit dem Antazidum Omeprazol®. In Bezug auf die einzelnen Gelenke erwies sich keine der vier Gruppen als signifikant effizienter als eine andere. Eine Behandlung mit Previcox® war bei Hüftgelenksbeschwerden allerdings tendenziell wirkungsvoller (p = 0,054) als mit einem der drei anderen Medikamente bzw. der Medikamentenkombination aus Cimalgex® plus Gabapentin®.

The aim of conformation dynamics is the identification of metastable sets in the molecular conformation space, and the computation of their statistical weights. Because of the high dimensionality of the state space, coarse graining methods attempt to improve the computational performance by reducing the representation of a molecule’s dynamics without losing relevant details. In this doctoral thesis, a coarse graining method in time, by clustering motions of particles according to a certain criterion, and a coarse graining strategy in space, by revealing a hierarchy in the descriptors of a protein, are developed. To find the global statistical weights of the metastable sets, reweighting strategies are necessary. We present two novel techniques that permit a direct calculation of statistical weights, both based on the estimation of free energy differences. The first method requires an inverse balance condition that leads to a direct calculation of the statistical weights as eigenvalues of a transition matrix. The second approach approximates entropy differences between metastable sets to derive according free energy differences. The performance of the novel strategies is tested on several small examples before applying them to the µ-opioid receptor. The µ-opioid receptor is a transmembrane protein, especially important for the perception and the alleviation of pain. A medication with analgesics like morphine can lead to serious side effects. Therefore, it is desirable to find an opioid that activates the µ-opioid receptor in the inflamed tissue only. The intent of this doctoral thesis is to analyze the µ-opioid receptor in order to find possible reasons for the known better effect of analgesics in inflamed tissue. We model the receptor in a simulation box, embedded in a membrane and solvated with water, both in healthy and inflamed tissue, propose different hypotheses that may cause the better effect of the receptor in inflamed tissue, and investigate electrostatic potentials, Coulomb interactions, and conformational changes for the analysis of the receptor’s behavior.

Protein Tyrosine Phosphatase 1B (PTP1B) is a validated drug target for the treatment of diabetes type 2 and obesity. Until now, development of suitable modulators has been hampered by the polarity of the binding site and related bioavailability issues of the molecules. The design of selective inhibitors of PTP1B against the closely related T-Cell protein tyrosine phosphatase (TC-PTP), which was associated to severe side effects in animal studies, proved even more challenging. Over the years progress wasmade, but known PTP1B inhibitors only achieved atmaximummoderate selectivity over TC-PTP. This study aims to break the traditional boundaries of PTP1B selectivity by deliberately exploiting structural differences of both proteins. Due to their high similarity this requires thorough analysis of their static structures as well as their flexible behavior. The goal was therefore pursued with two different approaches: In Part I of the study a detailed analysis of protein complexes with selective ligands was performed including their flexible behavior as determined frommolecular dynamics simulations. Since common analysismethods were not able to explain the selectivity of the investigated ligands, a newmethod was developed which is able to assess parameters of ligand affinity that are not covered by currently available methods: steric complementarity of the ligand to the protein together with ligand strain. The developed tool allows to assess those properties on high numbers of molecular dynamics frames to calculate ligand shape fit in a flexible context. It further enables to trace back the ligand atoms or parts responsible for good or bad shape fit. In Part II of this study the flexible behavior of the apoproteins was studied. Since surface properties are highly similar in both proteins, the analysis focused on binding site shapes. For this, a novel approach was chosen that translates binding site shapes from molecular dynamics simulations into point maps and subsequently uses clustering and difference calculations to find a PTP1B conformationmost unlike to all discovered TC-PTP conformations. Theworkflowincludes calculation of a selectivity map consisting of points in the binding site where highest and most relevant differences in PTP1B and TC-PTP conformations occur. This map can be visualized and used for screening of selective PTP1B frames, which can then be used for protein structure based virtual screening for potentially selective PTP1B inhibitors. Results of Part I indicate shape fit as the previously undiscovered reason for selectivity of some known PTP1B inhibitors. They further suggest that selectivity can be achieved by interactions in the catalytic cavity as well as in previously suggested areas (the B and C site) of the binding site. Additionally, the discovered reduced ligand strain in PTP1B for one of the analyzed ligands, while almost maintaining same occurences of protein-ligand interaction features, lead to the assumption that PTP1B possesses a higher ability to conformationally adapt to the ligand than TC-PTP. This assumption is corroborated by the results of Part II: The selectivitymap indicates the catalytic cavity and the YRD-loop (C site) as areas of different flexible behavior. Especially the YRD-loop shows increased flexibility in PTP1B compared to TC-PTP. Additionally, ligands that have a high likelihood of exploiting the discovered conformational differences while still showing sufficient activity in PTP1B could be found in databases of commercially available molecules. Overall, the two innovative approaches to discover key factors of PTP1B selectivity did not only lead to interesting findings, but could also be adapted to promote other drug design projects where selectivity is crucial but hard to achieve.

Bone forming cells of mesenchymal origin and hematopoietic cells of the immune system interact in the bone marrow. Both cell types show high plasticity under homeostatic conditions as well as during bone healing after an injury. Bone marrow is also the central organ for hematopoiesis and harbors the immunological memory. Above all, regeneration and formation of an immunological memory are processes that take place over a period of weeks to months. Since the underlying mechanisms are controlled on the cellular level, in vivo multiphoton fluorescence microscopy is the most appropriate and common method to gain insight into the dynamics of these interactions in living tissue under physiological and pathological conditions. However, already established methods for intravital microscopy in the bone marrow of mice are, either designed for imaging a few hours and thus not for repeated, i.e. longitudinal observations, or not designed for long bones, but only for flat bones, i.e. calvarium. In addition, they are physically limited to penetration depths of approx. 100 - 150 µm below the bone cortex. In the present work, in order to fulfil the needs in understanding bone biology a new microendoscopic technique based on gradient index (GRIN) lenses was developed and applied to analyze cellular dynamics in vivo. An internal fixation system ensured the precise positioning of a GRIN endoscope in the femoral bone marrow tissue over months. The optical performance of the endoscope system was comparable to other methods for intravital microscopy in the bone marrow. Via a chronic window, which can be introduced into the bone marrow cavity both centrally and pericortically, we were able for the first time to observe and quantify changes in the vascular structure in one and the same individual over month. The observed plasticity of the blood vessels seems to be unique compared to other tissues. Using histological and flow cytometric methods, we could exclude the possibility that this is a process driven by regeneration processes caused by implantation procedure. Additionally, to account for the complex dynamic interactions between various cellular and extra-cellular compartments, a method for non-linear asymmetric two-photon excitation (ATPE) and digital unmixing of the recorded fluorescence signals was established, which can be used for the multiplexed recording of eight different tissue components. The novel endoscope system enables longitudinal intravital microscopy in the murine bone marrow (LIMB) to analyze the osteoimmune system in vivo under homeostatic and pathological conditions. With LIMB we expect to gain a deeper insight into the role of the immune system in bone healing, as well as into the establishment and maintenance of immunological memory cells, such as long-lived plasma cells in their special survival niches.

Unter dem Gesichtspunkt eines wachsenden Bedarfs an agrarischen Produkten sind die Erhaltung und Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit essentiell. Nach dem Vorbild der Terra Preta do Indio (Glaser und Birk, 2012) ist eine Aufwertung von ertragsschwa-chen, sandigen Böden mit neuentwickelten Biokohlesubstraten (BKS) hinsichtlich ihrer Bodenfruchtbarkeit und Ertragsfähigkeit denkbar. Die Auswirkungen des Einsatzes von BKS auf die Bodenfruchtbarkeit wurden in er-tragsschwachen sandigen Acker- und Kippböden der Niederlausitz (Nordostdeutsch-land) mit mehrjährigen Gefäß-, Bodensäulen- und Lysimeterversuchen geprüft. In den Gefäßversuchen wurden BKS mit Biokohleanteilen von 15 Vol.-% und 30 Vol.-% und Aufwandmengen von 30 t/ha bis 240 t/ha untersucht. Zudem erfolgte die pflanzenbauli-che Prüfung von BKS, die mit verschiedenen Rezepturen aus regionalen Inputstoffen hergestellt wurden. In den Bodensäulen- und Lysimeterversuchen wurden BKS mit 15 Vol.-% Biokohle hinsichtlich ihres Einflusses auf die Sickerwassermenge und -qualität über drei Vegetationsperioden geprüft. Diese wurden im Zusammenhang mit den Erträgen und Entzügen der angebauten Kulturen Knaulgras (Dactylis glomerata L.), Senf (Sinapis alba L.), Sommergerste (Hordeum distichum L.), Mais (Zea mays L.) und Winterroggen (Secale cereale L.) sowie einer umfangreichen Bodenanalytik ausgewer-tet. Die Ergebnisse zeigen eine positive Beeinflussung der Bodenparameter in Abhängigkeit vom Ausgangszustand der Böden. Neben der Erhöhung des Gesamtporenvolumens auf 116 % (Kippboden) bzw. 124 % (Ackerboden) wird in dem Kippboden auch die nutzbare Feldkapazität auf 172 % angehoben. Die BKS-Düngung führt zu einer Verbes-serung des Humushaushaltes einhergehend mit der Erhöhung der KAKpot, der Nähr-stoffvorräte und der P-, K- und Mg-Verfügbarkeit. Die BKS weisen ein geringes N-Mineraldüngeräquivalent von < 10 % auf. Die Nmin-Austräge mit dem Sickerwasser können um 40 % (Kippboden) bzw. 69 % (Ackerboden) mit einer Gabe von 30 t/ha BKS (15 Vol.-% Biokohle) signifikant reduziert werden. Gestaffelte BKS-Gaben (3x30 t/ha) reduzieren den Nmin-Austrag des Kippbodens stärker als eine einmalige hohe Gabe von 90 t/ha. In einem sandigen Braunerde-Podsol bewirkt die Düngung mit den BKS erhöhte Nmin-Austräge auf bis zu 157 % (90 t/ha). Die K- und P-Austräge sind in allen geprüften Böden gering bzw. sehr gering. Die Anwendung von Biokohlesubstraten verbessert die ökologischen Bodenfunktionen sowie die Flächenproduktivität auf ertragsschwachen sandigen Böden und stellt eine vielversprechende Option für Grenzertragsstandorte und für die landwirtschaftliche Re-kultivierung von Kippböden dar.

The ability of specific triterpenoid saponins to act as a novel mediator of the endosomal release was investigated thoroughly in the past. By interacting with the endosomal membrane, these sec-ondary plant metabolites from Saponaria- or Gypsophila-specimen are able to release the endo-somal or lysosomal content before being degraded by lysosomal enzymes. Special attention hereby was paid to the use of ribosome-inactivating proteins, which can induce the apoptotic cell death by cleaving an adenine out of the 28S-Subunit of the ribosomes. A synergy between triterpenoid saponins and RIPs achieved an amplified cell toxicity in several studies, which was even tested successfully in many in-vivo-studies. Resulting out of a less specific release from the endosomes, a logic consequence was to test the ability of the triterpenoid saponins in other scien-tific fields. Therefore, the quest of this work happened to be the investigation of the saponin me-diated enhanced gene delivery (transfection). For this purpose, a number of different nanocarriers were formulated and analyzed for their suitability as stable nanoplexes in terms of size, zetapotential, uniformity, stability and DNA-complexation efficiency. After the establishment of a robust transfection method with peptide-based nanoplexes, a number of different saponins could be tested on their transfection enhancing properties, among them SO1861, isolated from Saponaria officinalis L., and GE1741, isolated from Gypsophila elegans M.Bieb. In addition, a further breakdown of the structure-activity relationship regarding the endosomal release could be achieved. After the identification of the highly active saponins SO1861 and GE1741, not only the transfection efficiency, but also the universal applicability was investigated. A flexible as-signment could be demonstrated in different cell lines, transfection methods as well as with dif-ferent nucleic acids. The fact of a not elucidated mechanism of the modulated endosomal escape was a further topic of this work. By applying microscopic and fluorescence-based methods, val-uable insights regarding the intracellular uptake and release could be gathered. With the transfec-tion of a RIP-gene the opportunity of a concrete therapeutic application was investigated. Initial in-vitro-tests confirmed a non-toxic reporter gene delivery as well as an effective and highly toxic suicide gene delivery. On neuroblastoma bearing NMRI nu/nu mice, finally an in-vivo-efficacy was demonstrated, after the combined application of SO1861 and targeted YD-nanocarrier (suicide gene) led to a 50% decrease of tumor growth. In this work, for the first time the big potential of specific triterpenoid saponins as potent trans-fection enhancer could be described. Despite detailed investigations and connected with that, an establishment of a sound basis, a further breakdown of the mechanistic actions and precise opti-mizations are highly necessary in order to manifest a big value of saponins in future gene and cancer therapies.

Transplantation of donor stem cells, called allogeneic hematopoietic stem cell transplantation (allo-HSCT), is currently the only curative treatment for a variety of hematopoietic diseases, in particular for malignant diseases. Despite the progress made in the past decades in terms of safety, complications by allo-HSCTs lead to high post-treatment mortality rates. The primary complication after allo-HSCT is the “graft-versus-host disease” (GVHD). GVHD is an inflammatory disease affecting liver, intestine and skin. Allo-reactive T lymphocytes are the main mediators of this inflammatory condition. Current therapeutic approaches aim to reduce activation and expansion of effector T lymphocytes, resulting in increased infection rates due to systemic immune suppression by steroids. Approximately 30% of patients develop a progressive GVHD despite immune suppression; this condition is called “steroid refractory GVHD” (srGVHD). Especially in the srGVHD condition, there is an urgent need to find appropriate treatment options. The study of srGVHD, to find targets for successful treatment, is hampered by the lack of mouse models. Recent studies revealed an increased endothelial damage during GVHD and srGVHD. Up to now, the characterization of endothelium during GVHD is incomplete. In this thesis, endothelial dysfunction during GVHD has been investigated in human samples by caspase staining. Endothelial dysfunction in murine GVHD was accompanied by a reduced pericyte coverage, an increased leakage and a higher contraction capability of endothelium in GVHD target organs without structural changes. The increase in adhesion, co-stimulatory and antigen-presenting molecules at the surface of endothelial cells indicates an active role of these cells in the pathogenesis of GVHD. Targeting different functions with compounds directed to the endothelium was not successful in ameliorating the course of GVHD. Gene array performed with isolated hepatic endothelial cells revealed metabolomic pathways, which were altered during established GVHD. Additionally, known pathways to induce apoptosis and cellular dysfunction were increased in hepatic endothelial cells during established GVHD. In our murine srGVHD model increased endothelial damage and leakage index in the colon indicated a contribution of endothelial cells to the pathophysiology of srGVHD. The reduced number of hepatic endothelial cells and the reduced expression of adhesion molecules add evidence to a potential role of endothelial dysfunction in srGVHD. This study highlights the importance of endothelial cells to the GVHD cascade in mice and humans, while therapeutic approaches were not successful to ameliorate murine GVHD. A murine model of srGVHD showed involvement of endothelial cells in this condition. A deeper insight to endothelial cell pathophysiology in established GVHD and srGVHD may help to identify clinical markers for early stages of GVHD and open a new field of therapeutics to ameliorate GVHD while preserving immunity.

Climate change is expected to alter global, regional and local meteorological conditions and as a result, the changes in the climate system will play an essential role on future air quality. Tropospheric ozone is considered one of the most harmful pollutants and it is strongly dependent on weather conditions. Therefore, understanding the impacts of near-term climate change on ozone concentrations is crucial for developing effective air quality policies. This dissertation focuses on the analysis of the influence of synoptic and local meteorological conditions on ground-level ozone over Europe and it provides a comprehensive spatial characterization of the most important meteorological key-driving factors of surface ozone concentrations over the whole domain. For this purpose two approaches are proposed: i) a weather types classification and ii) regression methods. Firstly, large-scale atmospheric circulation is examined through a weather types classification, implemented grid cell-by-grid cell over Europe. The ability of a suite of global climate models to reproduce realistic synoptic patterns in the present climate is evaluated against two reanalysis products. Additionally, the association between weather types and anomalies of maximum and minimum temperatures is investigated. In general, the models are able to capture realistic synoptic patterns when compared to the reanalyses. However, some limitations to reproduce the frequencies of certain weather types, such as low flow conditions over South Europe in summer and autumn are found. The projected changes in the frequency of weather types under future climate scenarios reveal an increase of anticyclonic days and warmer conditions affecting the British Isles in summer, and more westerlies and consequently mild winter conditions over Central Europe. As a result of a projected increase of low flow conditions over the Mediterranean basin, stagnant situations would become more frequent, favouring episodes of air pollution. Further analysis indicate that changes in the frequency of weather types represent a minor contribution of the total change of projected European temperatures. Thus, the temperature changes could be attributed to the so-called within-type variations (changes of the weather types themselves). In the context of climate change, that implies that global warming would also affect the characteristics of some weather types over time (i.e., within-type variations) that are associated with warmer temperatures under future conditions. Secondly, the classification of weather types provides an easy physically interpretable framework for assessing the impacts of synoptic conditions on ozone concentrations. A synoptic-regression approach is developed to investigate the effect of both, synoptic and local meteorological conditions on surface ozone over the European domain. It is shown that local meteorological conditions are generally dominant factors influencing surface ozone variability, rather than the synoptic conditions. The results reveal distinctive regional and seasonal patterns of the most influential ozone drivers. In particular, local meteorological conditions have a strong influence over Central and East Europe, where maximum temperature becomes the most important driver of surface ozone in summer and relative humidity along with surface solar radiation in spring. Finally, a multi-model assessment examines the capability of a set of state-of-the-art air quality models to reproduce the observed relationship between meteorological variables and surface ozone. The results show distinctive seasonal and regional performances in the statistical models developed for each dataset (i.e. observations and model outputs). Overall, the air quality models are in better agreement with observations over the regions referred to as internal regions: England, France, Mid-Europe, North Italy and East Europe. On the contrary, they present more limitations over the rest of the regions, referred to as the external regions: Inflow, Scandinavia, Iberian Peninsula, Mediterranean and the Balkans. There is a larger meteorological contribution in the internal regions, especially in summer where the local meteorology plays an important role in photochemical processes. A minor meteorological effect is found in the external regions, probably due to a major influence of the dynamical processes that are not captured by the statistical models. Most of the air quality models tend to overestimate the sensitivity to maximum temperature and solar radiation and none of them are able to capture the strength of the observed relationship between ozone and relative humidity appropriately. Here, dry deposition schemes may be a key for the underestimation of such relationship. Further analysis of the slopes of the ozone-temperature relationship indicates that the air quality models capture the observed relationship between ozone and temperature in most of the internal regions in summer, while in spring they overestimate it in most of the European regions.

Vorläuferfertigkeiten des Lesens und Schreibens sind eine Voraussetzung für die frühe Förderung des Schriftspracherwerbs. Diese Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der frühkindlichen Entwicklung von Vorläuferfertigkeiten des Lesens und Schreibens in deutschsprachigen Kindern. Mittels einer 2 ½ - jährigen Längsschnittstudie am Schulübergang wurden vier Fragestellungen in vier Teilstudien bearbeitet, die sich übergreifend mit dem Ursprung und dem Verlauf der Schriftsprachentwicklung im Deutschen beschäftigten. Ziel der Arbeit war es, sprachübergreifende Theorien des Schriftspracherwerbs mit empirischer Evidenz aus dem Deutschen anzureichern und für den frühkindlichen Bereich weiter zu entwickeln. In der ersten Teilstudie wurde untersucht, welche phonologischen Fähigkeiten mit Lesefähigkeiten in Verbindung stehen und wann sich diese entwickeln. Die Ergebnisse zeigten, dass sich phonemische Sensitivität zusammen mit dem Leseerwerb im Verlauf der ersten Klasse entwickelte. Dieses Ergebnis bestätigte eine Annahme der Psycholinguistic Grain Size Theory (Ziegler & Goswami, 2005). Demnach entwickelt sich phonemische Bewusstheit im Deutschen mit dem Erwerb der Phonem-Graphem- Übertragung nach Schuleintritt. Ziel der zweiten Teilstudie war es herauszufinden, wann sich rein orthografische Repräsentationen im Deutschen bilden und ob diese direkt mit dem Schriftspracherwerb in Zusammenhang stehen. Damit ist beispielsweise das Wissen über die grafische Struktur oder die Auftretenshäufigkeit von Buchstaben gemeint. Die Ergebnisse zeigten, dass Kinder bereits vor Schuleintritt Symbole und Buchstaben anhand grafischer und statistischer Merkmale unterschieden. Darüber hinaus sagte diese Fähigkeit Lesefähigkeiten am Beginn der ersten Klasse vorher. Damit bestätigen die Ergebnisse der zweiten Teilstudie die Annahmen des Integration of Multiple Patterns Modells (IMP; Treiman & Kessler, 2014), welches den Beginn der Schriftsprachentwicklung vor dem Schuleintritt verortet. Die dritte Studie untersuchte, wie sich semantische Repräsentationen im Übergang zur Schule entwickeln, und ob diese neben Leseverständnisfähigkeiten auch mit Dekodierfähigkeiten in Verbindung gebracht werden können. Die Fähigkeit thematische Bedeutungszusammenhänge zu unterscheiden entwickelte sich im Beobachtungszeitraum stark und sagte Dekodierfähigkeiten am Ende der ersten Klasse voraus. Die Ergebnisse unterstützen Annahmen der Lexical Quality Hypothesis (Perfetti & Hart, 2002), wonach semantische Repräsentationen sowie orthografische und phonologische Repräsentationen in direktem Zusammenhang mit dem Schriftspracherwerb stehen. In der vierten Studie wurden schließlich nicht nur sprachspezifische, sondern auch umgebungsspezifische Einflüsse auf die Schriftsprachentwicklung im Deutschen überprüft. Dabei stand zur Debatte, ob und wie sich die Prädiktion von Schriftsprachfertigkeiten anhand von Vorläuferfertigkeiten des Lesens und Schreibens vor und nach dem Schuleintritt unterscheiden. Die Ergebnisse zeigten, dass besonders die Vorhersage komplexer Lesefähigkeiten (z. B. Leseverständnis) vor und nach dem Schuleintritt divergiert. Damit wird der Einfluss der Lernumgebung auf die Entwicklung und Effektivität von Vorläuferfertigkeiten des Lesens und Schreibens im Deutschen evident und Annahmen des IMP (Treiman & Kessler, 2014) bestätigt. Gemeinsam zeigen die vier Teilstudien, dass sich anhand empirischer Evidenz Grundannahmen aus drei sprachübergreifenden Theorien des Schriftspracherwerbs auf die frühkindliche Schriftsprachentwicklung im Deutschen übertragen lassen. Dabei stellt die Arbeit insbesondere für die frühkindliche Entwicklung orthografischer und semantischer Repräsentationen einen starken Forschungsbedarf fest. Ferner, zeigen die Ergebnisse, dass nicht nur sprachspezifische, sondern auch umgebungsspezifische Merkmale die Schriftsprachentwicklung beeinflussen. Diese Ergebnisse werden in einem integrativen Modell zusammengefasst. In diesem Modell bilden der Austausch zwischen phonologischen und orthografischen Repräsentationen einerseits und semantische Repräsentationen andererseits die Grundlage für die Entwicklung von Lese- und Rechtschreibfähigkeiten. Das Modell integriert außerdem den Einfluss umgebungsspezifischer Lern- und Lehrmechanismen.

This thesis aimed at the total synthesis of three terpene natural products, which exhibit strain due to their unusual carbocyclic structures. The main project describes the first total synthesis and structure revision of dichrocephones A and B. Both sesquiterpenes were isolated in 2013 from Dichrocephala benthamii, a flowering plant found in the south of China. Their oxidation pattern and the inverted absolute configuration of their [3.3.3]propellane core proposed upon isolation, as well as the unique tetracyclic structure of dichrocephone B distinguish them from previously described compounds of the modhephane family. A newly developed synthetic methodology for the enantioselective synthesis of the [3.3.3]propellane core was based on desymmetrization of prochiral triketones by a catalytic asymmetric Wittig reaction, vinyl cuprate addition and ring closing metathesis. Further key steps in the synthesis of the fully substituted cyclopentanone found in the natural products were the consecutive cyclopropanation and hydroxy-directed epoxidation of a pseudo-symmetric dienone. The obtained pentacyclic intermediate then underwent double reductive ring-opening to the proposed structure of dichrocephone A. Mismatching spectroscopic data led to the conclusion that the structure of dichrocephone A was proposed falsely upon isolation. An interdisciplinary approach utilizing X-ray crystallography, biosynthetic considerations and NMR calculations led to the prediction of an epimer as the correct structure of the natural product. This prediction could be verified by synthetic modification of the proposed structure to both dichrocephones A and B. By comparison of the optical rotations with literature values, the absolute configurations were reassigned as well. The second project was aimed at the synthesis of 4-hydroxydictyolactone, a xenicane diterpene isolated in 1993 from the brown alga Dictyota ciliolata. Several members of this natural product class show potent biological activities. An efficient synthetic approach to the (E)-cyclononene motif is still missing, which prevents further biological evaluation of these natural products due to the low yield of current synthetic approaches. The approach described in this thesis was aimed at mimicking the proposed biosynthesis of the carbocyclic core, by ring formation from an acyclic precursor. Several substrates were employed in the envisaged allylic alkylation key step, which were obtained from terpene-pool starting materials. None of the substrates underwent formation of the nine- membered carbocycle. The failure of this strategy was attributed to the high strain energy, which needs to be overcome in the transition state of the cyclization.

In this study, the effect of sAC on the AMPK activity and mitochondrial homeostasis was analyzed. sAC knockdown led to the depletion of cellular cAMP concentration accompanied by decreased AMPK activity in cardiac H9C2 cells, adult rat cardiomyocytes and coronary endothelial cells. EPAC, but not PKA, is a signaling link between sAC and AMPK. Functionally, sAC knockdown led to the mitochondrial depolarization, reduced cellular ATP content and increased mitochondrial ROS formation. Furthermore, sAC downregulation led to the disturbed mitochondrial clearance, as indicated by increased mitochondrial mass and reduced mitochondrial biogenesis. Consistently, sAC overexpression or stimulation with bicarbonate significantly increased AMPK activity and cellular ATP content, whereas stimulation of tmAC had no effect. By analyzing sAC–AMPK signaling in mouse model of myocardial infarction, we found an increased sAC expression in female, but not in male injured hearts, which was associated with reduced pAMPK to AMPK ratio. No changes in AMPK activity was observed in injured female hearts. The study reveals a novel sAC–AMPK signaling axis, which is cell type independent and that significantly contributes to the cellular energy and redox balance by supporting mitochondrial biogenesis and clearance. Activation of the axis improved cellular energy balance. The study provides an evidence for potential translational significance of the sAC–AMPK signaling in myocardial infarction in a sex-dependent manner.

This dissertation seeks to answer the general research question of how international actors handle goal conflicts in their foreign policy-making and how their strategies can be explained. Choosing the EU’s and China’s Middle East policies as two most different cases for comparison, this study examines the paths taken by the two actors to deal with the security-normative, security-economic and economic-normative goal conflicts in Egypt and Iran. It demonstrates that the EU and China, notwithstanding their differences in various respects, turned out to take similar measures to arrange incompatible goals in the two target states. In Egypt before, during and after the Arab uprisings, both actors tried to prioritize the security goal of preserving local stability and authoritarian order over their economic and normative pursuits. When dealing with Iran during the nuclear crisis, both actors placed their economic interests ahead of the nuclear issue—and ahead of one’s normative agenda, as for the case of the EU. By adopting the most different systems method, this thesis argues that the variations between the EU and China in terms of sovereignty, regime type, political ideology, policy-making mechanism, etc. fail to account for the similar strategies adopted by the two actors to resolve goal conflicts. Nevertheless, while the most different systems design allows me to eliminate irrelevant independent variables, I find it difficult to rely on this method alone to determine the causal mechanism behind the two actors’ similar foreign policy decisions. Consequently, this study uses the most different research design in conjunction with theory testing. Drawing on the neorealist, bureaucratic politics, and constructivist approaches to Foreign Policy Analysis, it develops theoretical predictions on how goal conflicts would be resolved and tests them against the empirical findings made on the EU’s and China’s Egypt and Iran policy-making. The testing of theoretical predictions proves that none of the three approaches are sufficient to explain the choices made by the EU and China to tackle goal conflicts. Instead, this thesis refers to domestic politics as a fourth and better account of the two actors’ foreign policy decisions. It demonstrates that the EU’s and China’s solutions to goal conflicts, though bearing similarities, were formulated according to different calculations, which need to be traced in the domestic developments of each actor. In Egypt, the EU prioritized preserving authoritarian order and sidelined its normative agenda because many member states, especially those in the south, worried about public security in their homeland once the Middle East was in chaos. They therefore needed a strong Egyptian leadership to cooperate with on addressing cross-border problems such as refugee flows, illegal migration and the proliferation of terrorism. This empirical finding seems to confirm the neorealist prediction. However, a second look at the case reveals that the security concerns of EU member states do not fit in with the neorealists’ narrow definition of national interests. During the Arab revolts, China also defended authoritarian stability in Egypt, even though such a decision jeopardized China’s economic interests and offset its efforts to promote the norm of non-interference. Unlike the EU, however, China’s decision was made primarily due to the leaders’ concerns about regime security such as preserving Xinjiang’s stability and preventing the spread of insurgencies like the Arab Spring to China, especially during the leadership transition of 2011-13. Similarly, when it came to Iran, the EU prioritized the goal of protecting economic interests over introducing severe sanctions to curb Iran’s nuclear ambition and its human rights abuse. This was because member state governments, in light of the eurozone crisis and oil price surges, had real concerns about the negative impact of sanctions on their economies. In comparison to the EU, China also placed a strong emphasis on maintaining economic ties with Iran during the nuclear crisis but for different reasons. This policy, while contributing to China’s economic interests in general, mainly served the government’s goal of backing Iran during the Arab revolts and obstructing the Western attempt at regime change, which was perceived by Beijing as a threat to domestic stability.

Nearly half of dairy cows develop uterine diseases in the first weeks after parturition, the most common manifestation being endometritis. Such diseases profoundly affect reproductive performance and reduce the profit potential of dairy farms, with an associated yearly cost of €1.4 billion within the European Union. Bacteria that enter into the uterus after calving trigger an innate immune response that results in the release of cytokines and antimicrobial peptides (AMP). There are different classes of AMP, which exert their antimicrobial action through different mechanisms. The beta-defensin (DEFB) family consists of cationic AMP that can permeabilize bacterial membranes. This family includes DEFB1, DEFB4A, and DEFB5, lingual AMP (LAP), and tracheal AMP (TAP). The bactericidal/permeability-increasing protein is also a cationic AMP that bind to bacterial lipopolysaccharides (LPS) that eventually results in the death of bacteria. Another AMP family is the S100 calcium-binding protein (S100A) family including the following members: S100A8, S100A9, S100A11, and S100A12. These AMP exert their antimicrobial action through chelation of several ions. The host immune response and release of AMP is essential for the removal of invading bacteria. A variety of bacterial strains have been discovered in the uterus so far. These include Escherichia coli and Trueperella pyogenes, which are the most important bacterial species associated with endometritis. The aim of this research project was to better understand the innate immune response in the context of postpartum uterine diseases. In the current project, the mRNA expression pattern of selected AMP (DEFB1, DEFB4A, DEFB5, LAP, TAP, BPI, S100A8, S100A9, S100A11, and S100A12) was evaluated in bovine endometrial cells collected (1) at different stages of the oestrous cycle; (2) during the puerperium depending on uterine health status (healthy, subclinical, or clinical endometritis) starting on Day 24 to 30 postpartum for 3 weeks on a weekly basis; and (3) in cell cultures in presence of Bacillus pumilus at three different multiplicities of infection (MOI 1, 5, and 10) up to 6 hours. Furthermore, to gain insights into bacterial factors contributing to the host-pathogen interactions, two strains of T. pyogenes were included in this study: one strain (TP2) was isolated from the uterus of a postpartum dairy cow developing CE and a second strain (TP5) was isolated from a uterus of a healthy cow. The two strains were compared in terms of their metabolic fingerprints, growth rate, virulence gene transcription, and effect on bovine endometrial epithelial cells in vitro. Finally, the effect of the presence of immune cells on the response of endometrial cells to T. pyogenes was evaluated. The endometrium samples were either collected at the abattoir (oestrous cycle) or from postpartum cows on a dairy farm using the cytobrush technique. For in vitro experiments, endometrial epithelial cells isolated from different animals were co-cultured with live B. pumilus at MOI of 1, 5, and 10, or T. pyogenes (TP2 or TP5) in form of live, heat-inactivated (HI) or bacteria-free filtrate (BFF) at a MOI of 1, or live TP2 and/or PBMC at a ratio of 1:1 to epithelial cells. Total RNA was isolated from endometrial cells and subjected to a reverse transcription-polymerase chain reaction for quantification of the mRNA expression of selected AMP or pro-inflammatory mediators. The results showed that the mRNA expression of all candidate AMP, except DEFB1, S100A8, and S100A9, was oestrous cycle-dependent. Higher mRNA expression was observed around ovulation compared with luteal phases. The mRNA expression of almost all candidate AMP was uterine health status-dependent, with higher mRNA expression in inflamed than in healthy endometrium, especially during the late stage of the puerperium (week 5–7). In cell culture experiments, the presence of B. pumilus had no significant effect on mRNA expression of the DEFB family but higher mRNA expression of S100A8 and S100A9 was observed in the presence of B. pumilus. TP2 grew at a faster rate, expressed more virulence factors such as collagen-binding protein (cbpA), neuraminidase H cell wall-bound protein (nanH), and fimbrial protein subunit E and G (fimE and fimG), and elicited a higher mRNA expression of pro-inflammatory factors such as prostaglandin-endoperoxide synthase 2 (PTGS2), chemokines (C-X-C motif) ligands 3 (CXCL3), and interleukin (IL) 8 in bovine endometrial epithelial cells compared with TP5. The presence of PBMC amplified the mRNA expression of pro-inflammatory factors (PTGS2, CXCL3, IL1A, IL6, and IL8) in bovine endometrial epithelial cells co-cultured with live TP2 compared with untreated cells, especially as early as after 4 h. In summary, it can be assumed that AMP are important components of the innate immune system in the uterus that create an environment that is free of pathogenic bacteria. Higher mRNA expression of the candidate AMP around ovulation or in inflamed endometrium during the puerperium suggests their crucial role in uterine innate immunity to defend against invading pathogenic bacteria. TP2 has distinct differences in the mRNA expression of certain virulence factors, a distinct metabolic profile, and different growth characteristics compared with TP5. Therefore, the strain of T. pyogenes could be a crucial factor for the development of endometritis in dairy cows after parturition. Moreover, the pro-inflammatory response of endometrial cells was amplified in the presence of immune cells. Therefore, communication between endometrial cells and immune cells might be important for bacterial clearance.

Die Euthanasie beim Pferd stellt in den meisten Fällen nicht nur für den Besitzer, sondern auch für das Pferd und nicht zuletzt für den Tierarzt selbst eine schwierige Situation dar, die nicht einfach zu meistern ist. Er muss mit einem hohen Maß an Professionalität und Sorgfalt im Sinne des Tierwohls agieren und dabei dem Besitzer und Angehörigen mit viel Empathie begegnen. Vor diesem Hintergrund war es Ziel dieser Arbeit die Auswirkungen einer Euthanasie auf den betroffenen Besitzer, das Pferd und den ausführenden Tierarzt näher zu untersuchen, um eine Empfehlung für eine sichere und stressfreie Euthanasie geben zu können. In dieser Studie wurde bei 40 Pferden die Herzfrequenzvariabilität vor und während der Euthanasie gemessen und die Serumkortisolwerte prä- und postmortal bestimmt. Neben Untersuchungen zur Euthanasie in der Klinik wurden die Stressparameter im Blut von 20 Schlachtpferden auf dem Schlachthof Mecke GmbH und Co. KG in Werne gemessen. Zur Stressevaluierung wurden der Kortisol-, Laktat-, und Glukosewert nach der Schlachtung im Blut bestimmt. Zusätzlich wurden Fragebögen für Pferdebesitzer und Tierärzte konzipiert. Der Fragebogen für Pferdebesitzer wurde auf der Homepage der Reiter Revue International mit dem Aufruf zur Teilnahme veröffentlicht. Der Fragebogen für Tierärzte wurde per E-Mail an verschiedene Pferdekliniken verschickt. Es nahmen acht deutsche Pferdekliniken und jeweils eine Klinik aus Belgien, Österreich und England an der Umfrage teil. Anhand der Ergebnisse ließ sich bei den 40 euthanasierten Pferde insgesamt ein signifikanter Anstieg (p = 0,001) des Kortisolwertes im Blutserum nach der Euthanasie feststellen. Die Auswertung der HFV zeigte eine Dominanz der sympathischen Aktivität in der Vorbereitungsphase der Euthanasie und zum Zeitpunkt der Injektion von Pentobarbital. Des Weiteren wurden signifikant niedrigere (p = 0,04) Kortisolwerte bei den Pferden, die in Anwesenheit ihres Besitzers eingeschläfert wurden, festgestellt. Der Ort der Euthanasie und verwendete Prämedikation wiesen keinen signifikanten Einfluss auf die Stresswerte auf. Pferde, die aufgrund von Kolik eingeschläfert wurden, hatten insgesamt signifikant höhere prä- (p = 0,002) und postmortale (p = 0,001) Kortisolwerte. Der Vergleich der postmortalen Kortisolwerte der euthanasierten Pferde mit den Kortisolwerten der Schlachtpferde zeigte deutlich, dass die Schlachtpferde signifikant (p = 0,019) höhere Kortisolwerte aufwiesen als die euthanasierten Pferde. Bei den Schlachtpferden konnten erhöhte Laktat-, Glukose- und Kortisolwerte nach der Schlachtung festgestellt werden. Ob die Pferde dabei in einem Sammeltransporter oder von ihrem eigenen Besitzer zum Schlachthof gebracht worden sind, hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Stresswerte. Auffällig bei der Auswertung der Tierärztefragebögen war, dass der Ort der Euthanasie, sowie die verwendete Prämedikation zwischen den Kliniken stark variierte. Beachtlich war, dass die Mehrheit der befragten Kliniken T61 (n = 8) als Euthanasiepräparat verwendete. Am häufigsten wurden Muskelzuckungen und tiefe Atemzüge vor dem Einsetzten des Atemstillstandes beobachtet. Die Haupterkenntnis aus den Fragebögen für die Besitzer war, dass die Empathie der in Deutschland praktizierenden Tierärzte insgesamt als gut eingeschätzt wurde. Besitzer, die ihr Pferd in einer Pferdeklinik einschläfern lassen mussten, bemängelten teilweise die Atmosphäre und mangelnde Aufklärung über den Ablauf der Euthanasie. Zudem gaben 45,1 % der Befragten an, das Niedergehen des Pferdes als emotional besonders stressig empfunden zu haben. Des Weiteren zeigte sich, dass die Meinung des Tierarztes einen hohen Stellenwert bei der Entscheidungsfindung bezüglich einer bevorstehenden Euthanasie hat und dass 81,3 % der Besitzer generell eine Euthanasie einer Schlachtung vorziehen bzw. gar nicht über diese alternative Tötungsmethode informiert wurden (66,3 %). Ebenfalls auffällig war, dass 64,8 % der Besitzer angaben, dass die Anwesenheit bei der Euthanasie dabei geholfen hat, über den Verlust des Pferdes hinwegzukommen. Aufgrund der gewonnenen Daten wurde im Zuge dieser Arbeit eine Empfehlung für eine Euthanasie beim Pferd angefertigt. Diese empfiehlt neben der Anwesenheit des Besitzers während der Euthanasie vorab die genaue Aufklärung über den Ablauf. Darüber hinaus sollte der Besitzer auf das eventuelle Auftreten von Begleiterscheinungen wie zum Beispiel Muskelzuckungen, Exzitationen oder „final gasps“ hingewiesen werden. Als Euthanasieprotokolle eignen sich verschiedene Kombinationen. An der Klinik für Pferde, Allgemeine Chirurgie und Radiologie der Freien Universität Berlin Klinik erfolgt die Sedierung mit Xylazin (0,8 mg/i.v.) oder Xylazin (0,8 mg/kg i.v.) und Butorphanol (0,025 mg/kg i.v.). Zur Einleitung in die Narkose wird Diazepam (0,02 mg/kg i.v.) und Ketaminhydrochlorid (2,2 mg/kg i.v.) verwendet. Die Euthanasie sollte danach mit Pentobarbital (80 mg/kg i.v.) erfolgen. Im Rahmen einer Weiterführung dieser Arbeit wäre eine Wiederholung der Studie mit einer größeren Fallzahl zur Verifizierung der Ergebnisse angezeigt. Auch eine Befragung zum Thema Euthanasie der in Deutschland praktizierenden Pferdefahrpraktiker wäre interessant. Des Weiteren gibt es bisher keine Stressmessungen bei Pferden, die zu Hause in gewohnter Umgebung eingeschläfert wurden. Hier würde sich ebenfalls eine Erhebung der HFV und der prä-, und postmortalen Kortisolwerte anbieten. Ansonsten wäre eine Stressmessung beim Pferd während der Euthanasie, unter dem Einsatz verschiedener Präparate, ebenfalls interessant zu untersuchen. Einen weiteren Untersuchungsansatz bietet die Studie von EVANS et al. (1993). Die Autoren beobachteten nämlich weniger Schnappatmung bei Hunden, die sie zusätzlich zu Pentobarbital noch mit Lidocain (4,4 mg/kg) einschläferten. Man könnte in zukünftigen Studien diesen Untersuchungsansatz auch beim Pferd weiterführen, um so eventuell das Auftreten der „final gasps“ zu minimieren. Auch bei den Schlachtpferden könnten weiterführende Untersuchungen anschließen. Neben Verlaufsmessungen der Kortisolwerte wäre die Erhebung der HFV und der anschließende Vergleich mit den Werten der euthanasierten Pferde sinnvoll.

The Antarctic ice sheet is part of an intricate feedback system that includes the solid Earth, the atmosphere, and the ocean. A deep understanding of the interactions between these sub-systems would path the way for improved reconstructions of the Antarctic ice dynamics during past periods, particularly when global climate conditions were similar to those expected in the upcoming centuries. However, the acquisition of observational data needed to strip some of the key ice sheet processes, such as basal ice sliding modulated by the presence of water and soft earth materials, has proven to be difficult due to the particular remoteness and harsh climate conditions of the Antarctic continent. This thesis interconnects three scientific papers to demonstrate that uncertainties in subglacial regimes may explain commonly large discrepancies between the model-based and observed dynamical states of the present-day Antarctic ice sheet and that model-based reconstructions of these regimes can be used to reveal biases in the external forcing. Until now, most of ice sheet modelling studies have either relied on simplified representations of basal sliding that assume homogeneous bedrock conditions or employed inferences from previous studies as boundary conditions. Using an automated calibration technique of a continental-scale ice-sheet model, the first scientific paper within this thesis deciphers subglacial sliding regimes under the Antarctic ice sheet and shows that they are likely highly heterogeneous across the Antarctic continent. They also appear sensitive to differences in model formulations implying that a direct transfer of such reconstructions from a different model is ill-fated. Ice shelves respond strongly to the thermal regime of the Southern Ocean that modulates iceberg calving and sub-shelf melting, with the latter being the largest source of ice loss from the Antarctic ice sheet at present. Thus, an accurate representation of ice-shelf basal melting regimes is key to realistic modelling of the Antarctic ice sheet. The second scientific paper uses a combination of an ice sheet model and observations to derive the spatial distribution of melting and freezing rates at the base of the entire Antarctic ice shelf system. This novel technique captures the complexity of the observation-based basal mass balance of ice shelves well, including high ice-shelf melt rates near grounding lines and along the East Antarctic coasts and extensive accretion zones under the largest ice shelves. These estimates appear largely insensitive to uncertainties in the internal model parameters, but respond strongly to changes in the model grid resolution and external forcing. In particular, this study demonstrates that the basal mass balance of ice shelves required by ice sheet models is similar to that inferred from observational studies, and far from the values suggested by commonly utilised parameterisations. High sensitivity of the reconstructed subglacial regimes of the Antarctic ice sheet to external forcing has motivated the third and last scientific paper included in this thesis. Using ensemble simulations driven by a wide range of atmospheric data sets, this study shows that large biases in the atmospheric forcing can be erroneously compensated through a calibration of highly uncertain ice-sheet model parameters. This error cancellation is difficult to detect if the modelled ice sheet state is analysed in terms of the resulting ice sheet volume and ice distribution only. However, an inclusion of the observed surface flow velocity and ice shelf basal regimes in the validation procedure helps unfolding biases in the climate model outputs. This thesis reveals that a complementary use of the reconstructed subglacial sliding conditions and sub-shelf melting rates can significantly reduce the discrepancies between the modelled and observed ice geometries and flow patterns over large tracts of the grounded and floating Antarctic ice sheet sectors. Such model-based reconstructions contain large-scale features that are rarely taken into account by modelling experiments of the Antarctic ice sheet, demonstrating that the complexity of the subglacial regimes required by ice sheet models is similar to observed, and far from the inferences of commonly utilised parameterisations. Furthermore, these subglacial regimes can complement observational data sets during the evaluation of climate model reconstructions across Antarctica which traditionally provide external forcing to numerical simulations of future ice sheet changes.

Switching processes are widespread in nature and technology, from receptor switches in cell membranes to semiconductor transistors present in almost every electronic device today. They play a crucial role in communication, since the inherent discreteness of these processes leads to higher noise tolerance compared to analog communication. Another observation concerning information processing is the rapid miniaturization of integrated circuits that has taken place during the past six decades. The size of the components of an electronic device is reaching the regime where quantum interference and charge quantization become important. It is therefore necessary to investigate how electronic devices function at very small size scales. This thesis connects the two aforementioned aspects and looks at different switching processes at the nanoscale. The discrete nature of quantum mechanical systems, such as energy and spin quantization, often provides a setting where some kind of switching is built-in. We look at three different models that involve switching. The first one is concerned with electron spin. The possibility to control and manipulate it has created the field of spintronics that aims to use the spin degree of freedom for information transfer and processing. In this work we investigate the switching of spins on the surface of a topological insulator by passing a current through the surface. The perfect correlation between electron spin and momentum on topological insulator surfaces provides a handle for the spin without the need to apply a magnetic field. The spin-momentum locking also increases the efficiency of the mechanism compared to other materials. Another model we investigate stems from electron quantum optics, a field that aims to reproduce quantum optics experiments with electrons instead of photons. We look at how an abrupt switching of the conductance of a quantum point contact affects the shape of a transmitted wave packet as part of a protocol for electron tomography. In particular, we investigate how the Wigner function of the wave packet transforms during scattering off different potentials and derive a quantum mechanical expression for the transmitted charge through a quantum point contact under the influence of the potential. A third model we look at is that of a single-molecule transistor. The motivation for this is an experimentally observed conductance gap in the gate voltage-bias voltage diagram that differs from the expected single-electron transistor picture. We introduce a modification in the model by allowing the molecule to be in different conformations whose lower-energy states are differently charged. This leads to a qualitative agreement with the experimental results. This single-molecule transistor can be regarded as a switch in two aspects — in the conventional transistor sense, as well as a conformational switch that can be controlled with the gate or bias voltage.

Due to the continuous popularity of tattoos in Germany and other countries one fifth to a quarter of the population is already carrying this permanent body decoration. Despite this high incidence, numerous toxicological endpoints, especially in the case of the color giving pigments, are missing for an adequate risk assessment of tattoo inks. In this thesis, photostability and biokinetics are investigated as two of the key elements of tattoo pigment pharmacokinetics. The light-induced decomposition of six organic pigments was investigated using laser irradiation, which is commonly used for tattoo removal. Decomposition products were analyzed using gas chromatographic separation coupled to mass spectrometric detection. Additionally, the photothermal decomposition as occurring with laser irradiation was mimicked by pyrolysis. Data for pigment biokinetics could only be obtained by analysis of human samples since animal testing for tattoo applications was declined in Germany. Here, pigment and element distribution in skin and lymph nodes, as well as other peripheral organs, were assessed using mass spectrometric devices and synchrotron x-ray fluorescence techniques. Upon laser irradiation, all organic pigments were cleaved into benzene and hydrogen cyanide. Also, potentially carcinogenic and sensitizing compounds were found for each pigment specifically. The same decomposition products were also found in pigment pyrolysis. In in vitro cytotoxicity tests, hydrogen cyanide showed an impairment of the skin cell metabolism in the expected concentrations. The analysis of skin and lymph node samples revealed a preferential transport of smaller particles of organic and inorganic pigments. Associated to tattoo pigments, potentially carcinogenic and sensitizing elements like Ni, Cr and Cd are transported to the draining lymph nodes. No increased element concentrations were detected in other peripheral organs investigated so far. The data obtained from laser irradiation and pyrolysis in combination with information from other publications allow an extrapolation of the decomposition of non-investigated pigments of the same chemical classes. This facilitates the exclusion of pigments degrading into toxins out of the several hundred potentially used in tattoo inks. The data on distribution of tattoo inks do not display a full data set for biokinetics under the given circumstances but confirm life-long exposition to potentially harmful material in the lymph nodes. Since the distribution of other insoluble pigments including white titanium dioxide is well described in literature upon subcutaneous and intradermal application, this data might be used to extrapolate the distribution of tattoo pigments.

In der elektronischen Verbindungstechnik ist das Weichlöten eines der Verfahren, um elektronische Bauteile mit der Leiterplatte zu verbinden. Neben der Gefügeausbildung entstehen spröde intermetallische Phasen an der Grenzfläche zwischen Lot und Leiterplattenmetallisierung bzw. Bauteilmetallisierung. Diese bestimmen wesentlich die Zuverlässigkeit einer Lötverbindung. Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Geräte nimmt der Anteil dieser Phasen in der Lötstelle zu und sie führen gehäuft zu Problemen. In einem komplexen System - Cu/Ni/Au-Metallisierung des Leiterplattenpads /SnAgCu-Lot mit unterschiedlichen eutektischen und naheutektischen Zusammensetzungen bilden sich CuNiAu-haltige intermetallische Phasen an der Grenze Leiterplattenpad/Lot. Diese und die Auswirkungen im Gefüge werden in dieser Arbeit erstmals parameterübergreifend betrachtet, um Hinweise auf das Design zukünftiger Mikroelektroniken zu geben. In der Industrie werden verschiedene Elementekombinationen anwendungsbezogen verwendet. Um das o. g. komplexe Zusammenspiel zu analysieren, wurden folgende Parameter nach industriellen Anforderungen ausgewählt: \- Variation der Abkühlgeschwindigkeiten über drei Dekaden mit dem Ziel der Erzeugung von Ungleichgewichtsgefügen (0,1 °C/s, 5 +- 2 °C/s, 470 +- 85 °C/s) \- Variation des Lotvolumens über drei Dekaden (0,05 mm3, 1,3 mm3, 31 mm3), bei konstantem Verhältnis von Lotvolumen zu Paddurchmesser, mit dem Ziel der Extrapolation auf miniaturisierte Elektroniken \- Variation des Cu- und Ag-Gehaltes des Lotes (SnAg1Cu0,5; SnAg1Cu1,2; SnAg3Cu0,9; Sn94,5Ag5Cu0,5; Sn93,8Ag5Cu1,2), mit dem Ziel der Optimierung der Kupfer- und Silbergehalte in der Lotlegierung \- Variation der Haltezeit über der Liquidustemperatur (2s; 60s; 600s) mit dem Ziel der Optimierung der Fertigungsparameter Die Lotvolumina wurden auf einer Musterleiterplatte mit einer Cu/Ni/Au-Beschichtung umgeschmolzen und metallographisch nach den o. g. Abkühlungsgeschwindigkeiten und an einer schnell abgekühlten Probe nach einer Alterung (Temperatur-Wechsel 150°C/-40°C, 2000 Zyklen) analysiert. Geprüft wurde, inwieweit sich das Gefüge wieder dem Gleichgewichtszustand annähert und inwieweit die intermetallischen Phasen ihre chemische Zusammensetzung ändern. Folgende Erkenntnisse wurden gewonnen: \- Die Gefügeausbildung (Größe der Zinndendriten) wird bei einem Lotvolumen von 0,05 mm3 vor allem von der volumenbedingten Unterkühlung der Lotlegierung beeinflusst und nicht von der Abkühlungsgeschwindigkeit. \- Bei Lotvolumen größer als 1,3 mm3 wird die Gefügeausbildung vor allem von den Parametern Abkühlgeschwindigkeit bzw. der Haltezeit über der Liquidustemperatur bestimmt. \- Die Zusammensetzung der Phase Cu(1-x-y), Ni(x), Au(y)6Sn5 an der Grenzfläche wird vor allem von der Legierungszusammensetzung und dabei insbesondere vom Kupfer-Gehalt beeinflusst. \- Gold, das von der Leiterplattenoberfläche in die Lötstelle diffundiert, baut sich indie o.g. intermetallische Phase volumenabhängig ein. \- Es deutet sich an, dass der Einbau von Gold in der o. g. Phase die Bildung der intermetallischen Phase Ni3Sn4 unterdrückt. \- Die bei den schnell abgekühlten Proben entstehenden (Cu, Ni, Au)6Sn5-Phasen können auch nach einer Alterung nicht in den Gleichgewichtszustand überführt werden. Die o. g. Ergebnisse geben wichtige Hinweise, welche Parameter bei weiterer Miniaturisierung unbedingt berücksichtigt werden müssen, was bisher im komplexen Zusammenspiel der untersuchten Parameter noch nicht klar herausgearbeitet wurde. So müsste z. B. die Au-Schichtdicke auf dem Leiterplattenpad bei sehr kleinen Lotvolumina stark reduziert werden, was verbesserte bzw. neue Beschichtungstechniken oder den Einsatz von Nanowerkstoffen erfordert. Es muss berücksichtigt werden, dass sehr kleine Lotvolumina (<1 mm3) unabhängig von den technologischen Abkühlbedingungen aufgrund der feinen Gefügestruktur ein sprödes Verhalten zeigen. Weitere Untersuchungen in Richtung Zuverlässigkeit von vollständig aufgebauten Hybriden müssten folgen, um auch diesen Bereich abzudecken.