Krebs ist bestimmt eine der größten Geißeln unserer Zeit, die sich in den Industrienationen mit steigender Tendenz zur zweithäufigsten Todesursache entwickelt hat. Eine nicht unwesentliche Ursache dafür ist zweifellos die wachsende Lebenserwartung. Die Krebsforschung ist ein breites Forschungsgebiet, das sich mit der Erforschung von Ursachen, Prävention, Erkennung und Behandlung von Krebs beschäftigt. Es umfasst eine Vielzahl von Disziplinen und Techniken und das wesentliche Ziel besteht wohl darin, unser Verständnis von Krebs zu verbessern und bessere Strategien für Prävention, Erkennung und Behandlung zu entwickeln, um letztendlich bessere Ergebnisse für Krebspatient*innen zu erzielen.

Die mpMRT hat einen enormen Beitrag zur Verbesserung der Erkennung von Prostatakrebs geleistet. Unser kleiner Beitrag dazu war die Kontrolle der weiterentwickelten PI-RADS Klassifikation. Der Score wurde initial 2012 vorgestellt um ein standardisiertes Berichtssystem für die mpMRI der Prostata zu schaffen. Im Jahr 2015 erfolgte die Veröffentlichung der zweiten Versionen die noch klarere und objektvierbarere Bewertungskriterien enthalten sollte. An dieser Stelle haben wir nachgewiesen, dass die eher schlechten klinischen Daten zur zweiten Version des Bewertungssystems für unsere Kohorte nicht zutrafen und führten so eine Validierung des überarbeiteten Bewertungssystems durch. In unserer nächsten Arbeit haben wir durch die Integration eines neuartigen, hochauflösenden Ultraschalls in den Diagnosepfad des Prostatakarzinoms einen zusätzlichen klinischen Nutzen erzielt. Dank dieses Ultraschallgeräts konnten wir die Prostata in Echtzeit visualisieren und suspekte Läsionen noch gezielter biopsieren. Dies führte zu einer Steigerung der Tumordetektionsrate im Vergleich zur alleinigen mpMRT Fusionsbiopsie. Abschließend konnten wir in unserer dritten Arbeit zeigen, dass ein Diagnosepfad nur mit dem MUS und ohne mpMRT dem mpMRT-Diagnosepfad zumindest nicht unterlegen war. Falls sich diese Ergebnisse bestätigen, wäre eine Diagnosepfad ohne mpMRT denkbar, was erhebliche Auswirkungen auf Kosten und Verfügbarkeit der gezielten Prostatabiopsie hätte.

Nach der wissenschaftlichen Auseinandersetzung mit dem Erkennen von Tumorerkrankungen beschäftigten wir uns weiter mit der Vorhersage des klinischen Verlaufs von Tumorerkrankungen am Beispiel des Nierenzellkarzinoms. Neben der reinen Information zur Prognose liefern Prognosemarker wertvolle Daten für die weitere klinische Entscheidungsfindung. Das betrifft die Planung der weiterten Therapie etwa im Rahmen einer adjuvanten Chemotherapie nach Operation, das weitere Tumornachsorgeschema oder etwa den Einschluss in Studien. Beim metastasierten Nierenzellkarzinom beispielsweise werden für die Planung der unterschiedlichen Systemtherapien und auch zur Studienplanung routinemäßig klinische Parameter wie u.a. der ECOG Performance Status, der Hämoglobinwert, der Kalziumspiegel oder die Thrombozytenzahl verwendet.

Im Rahmen unserer ersten Arbeit zum Nierenzellkarzinom konnten wir nachweisen, dass die Gamma-Glutamyltransferase, die neben ihrer Funktion als Routinemarker für hepatobiliäre Erkrankungen eine wichtige Rolle bei der Entstehung und dem Progress von Tumorerkrankungen spielt, signifikant mit dem Überleben assoziiert war. Die Hinzunahme der GGT erhöhte die Diskriminierung von etablierten Prognosemodellen und führte zu einer Erhöhung des klinischen „net benefit“ dieser. In der zweiten Arbeit konnten wir zeigen, dass der Prognostic Nutritional Index ebenfalls signifikant mit dem Gesamtüberleben assoziiert war. Der PNI setzt sich zusammen aus Serumalbumin und der Gesamtlymphozytenzahl und soll ein Maß zur Bewertung des Ernährungs- und Immunstatus einer Patientin/ eines Patienten sein.

Insgesamt trugen unsere Arbeiten zur Verbesserung von Diagnose und Prognose von Krebserkrankungen bei. Bei der Diagnose wirkten wir bei Weiterentwicklung der PI-RADS Klassifikation für die mpMRT der Prostata mit. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass durch Integration eines neuartigen, hochauflösenden Ultraschalls in den Diagnosepfad des Prostatakarzinoms auf die mpMRT eventuell verzichtet werden könnte. Zuletzt identifizierten wir die Gamma-Glutamyltransferase und den Prognostic Nutritional Index als relevante Prognosemarker beim Nierenzellkarzinom, welche zur Verbesserung der klinischen Entscheidungsfindung beitragen können.

Hintergrund: Bei Patient*innen mit onkologischen Erkrankungen steigt die Nachfrage für komplementärmedizinische Verfahren. Hierzu gehören äußere Anwendungen wie beispielsweise wärmende Schafgarbe-Leberkompressen, welche in naturheilkundlichen Konzepten häufig zusätzlich während onkologischer Therapien angewandt werden. Patient*innen mit onkologischen Erkrankungen leiden häufig unter Tumor-assoziierter Fatigue (TF). Diese wird mit einer Dysregulation des Autonomen Nervensystems (ANS) und Veränderungen der Herzratenvariabilität (HRV) in Zusammenhang gebracht.

Ziel: Untersuchung der Auswirkung der äußeren Anwendung von Schafgarbe-Leberkompressen auf die Aktivität des ANS mittels HRV-Analyse bei Patient*innen mit Tumor-assoziierter Fatigue bei metastasierter Tumorerkrankung, welche eine zweiwöchige Bestrahlungstherapie von ossären oder zerebralen Metastasen erhalten.

Methoden: In einer randomisierten Pilotstudie wurden Patient*innen mit Tumor-assoziierter Fatigue bei metastasierter Tumorerkrankung, welche im Rahmen ihrer onkologischen Therapie eine stationäre Bestrahlung von entweder ossären oder zerebralen Metastasen erhielten, in zwei Gruppen randomisiert: Eine Interventionsgruppe mit wiederholten Anwendungen von Schafgarbe-Leberkompressen und eine Kontrollgruppe ohne diese Anwendungen. Mittels 24-h-EKG wurden zu Beginn (T1) und zum Ende (T2) des zweiwöchigen Studienzeitraumes Daten für die Analyse der HRV erhoben und jeweils eine Tages- (d) und eine Nachtsequenz (n) extrahiert. Anschließend wurden die HRV-Parameter des Zeit- und Frequenzbereichs sowie der Nichtlinearen Dynamik analysiert.

Ergebnisse: Im Zeitraum von September 2017 bis August 2019 erfolgte die Randomisierung von 39 Patient*innen. Die Daten von 20 Patient*innen (10 Patient*innen pro Gruppe) gingen in die Auswertung ein. Zwischen den beiden Tagesmesssequenzen im Vergleich über die Zeit (T1dT2d) konnte in beiden Gruppen ein signifikanter Unterschied der HRV-Parameter beobachtet werden. In der Interventionsgruppe nahmen die HRV und die Komplexität der Regulation der Herzfrequenz ab, als Hinweis auf eine erhöhte Aktivität des Sympathischen Nervensystems (SNS). In der Kontrollgruppe hingegen nahmen die HRV und die Komplexität der Regulation der Herzfrequenz zu, als Hinweis auf eine erhöhte Aktivität des Parasympathischen Nervensystems (PNS). Im direkten Vergleich der beiden Gruppen zeigte sich kein signifikanter Unterschied in den HRV-Parametern, mit Ausnahme des zweiten Tagesmesszeitpunktes (T2d).

Zusammenfassung: In der Interventionsgruppe mit täglicher Anwendung von Schafgarbe-Leberkompressen wurde tagsüber eine Zunahme der sympathischen Aktivität beobachtet, in der Kontrollgruppe ohne äußere Anwendungen hingegen trat tagsüber eine Zunahme der parasympathischen Aktivität auf. Aufgrund von großen Schwierigkeiten bei der Rekrutierung und Durchführung wurde die Studie vorzeitig beendet, dennoch lässt das Pilotergebnis einige Hypothesen zu. Eine Aktivitätssteigerung des SNS tagsüber könnte beispielsweise eine Verbesserung der Mobilisierung von Energieressourcen darstellen, durch welche die Patient*innen mit TF bei metastasierter Tumorerkrankung profitieren könnten. Insgesamt sind allerdings keine klaren Aussagen möglich und es gilt die aufgestellten Hypothesen in weiteren Studien zu überprüfen.

Tropical bovine theileriosis (TT, Theileria annulata infection) is a protozoan disease that affects cattle in the Mediterranean, Middle East and Asia. In countries where it occurs, the disease is mainly transmitted by ticks of the genus Hyalomma. Despite the availability of various control strategies, TT is still a major problem for the livestock industry in several countries. Progress in developing and improving control options (mainly vaccination) against T. annulata and its vectors is limited by several factors, including limited knowledge of the attenuation mechanism of the cell lines used as live vaccines, the need for experimental animals to maintain tick colonies, to produce infected tick challenge material and to assess the attenuation status. Another point of ethical concern is the use of Foetal Bovine Serum (FBS) in the production of the T. annulata cell culture vaccine. This reliance on the use of animal models and products, which is associated with high costs and logistical, biosafety and ethical constraints, frames the research approaches described in this thesis.

In the four main chapters, different aspects in studying the life cycle of T. annulata in vitro while adhering to the 3Rs principle are described. This includes (i) establishing a cell line using serum-free culture medium, replacing the use of FBS, (ii) comparing virulent and attenuated passages of T. annulata using RNA-seq to improve our understanding of virulence factors and the attenuation process and catalogue potential attenuation markers, (iii) inducing merogony in T. annulata cell lines and obtain piroplasm-containing erythrocytes that could later be used to infect ticks in vitro, and (iv) exploit recent advances in artificial tick feeding methods to artificially feed all life stages of two-host ticks Hyalomma scupense and H. excavatum and the three-host tick Hyalomma dromedarii. The successful feeding of all stages of Hyalomma ticks in vitro combined with the generation of T. annulata infected erythrocytes in vitro, may lead to the closure of the T. annulata life cycle in vitro without the use of experimental animals.

The results of these studies are encouraging, although they do require optimization, and are expected to contribute to the production of culture-derived Theileria vaccines, improve our understanding of the attenuation process and provide valuable tools to study the Theileria life cycle, including its interaction with vector ticks in vitro. It will also contribute to the 3Rs principle for humane animal research by providing a viable alternative to the use of laboratory animals in Theileria research. These findings could also be extrapolated to other pathogens with similar life cycles.

Einige Tumormarker wurden in der Pferdemedizin beschrieben, keiner davon ist jedoch ideal. Die Substanzen kommen inkonsistent im Blut vor und viele Faktoren und Krankheiten können ihre Konzentration oder Aktivität steigern, z.B. Entzündung, schwerwiegende Erkrankung und Alter. Infolgedessen wird ein Screening für innere Neoplasien bei Pferden nicht empfohlen, weil es zu falsch positiven Ergebnissen führen kann. Die Biomarker sollen immer zusammen mit dem Vorbericht des Patienten, seiner klinischen Untersuchung und klinisch-pathologischen Ergebnissen evaluiert werden, die verdächtig für das Vorliegen eines bestimmten Tumors sind (z.B. ein paraneoplastisches Syndrom). Eine gleichzeitige Interpretation von Entzündungsmarkern oder wiederholte Messungen können die Genauigkeit des Tumormarkers verbessern. Adrenocorticotropin (ACTH) ist ein Hormon, das weltweit als Tumormarker für ein Hypophysenadenom oder -adenokarzinom bei Pferden mit Pituitary Pars Intermedia Dysfunktion (PPID) eingesetzt wird. Es gibt zahlreiche Faktoren, die die basale ACTH-Konzentration (bACTH) beeinflussen können, inkl. Stress, schwerwiegende Krankheit, Alter und Monat. Des Weiteren gibt es Faktoren, die bACTH-Konzentration nur im Herbst beeinflussen, z.B. Schimmel-Farbe, Pony-Rasse und weibliches Geschlecht. Die Sensitivität des Tests kann weiter erhöht werden durch eine Bestimmung der ACTH-Konzentration nach einer Stimulation mit Thyrothropin-Releasing Hormon (pACTH), aber auch das Ergebnis kann durch Monat und schwerwiegende Krankheit verändert werden. Die Auswirkung anderer Faktoren auf pACTH ist bis jetzt spärlich beschrieben. Beide Untersuchungen sind nach Heu-Fütterung empfohlen, aber es gibt eine Diskrepanz in der Literatur über die Auswirkung von Kraftfutter und Fasten. Das Ziel unserer Studie war, den Einfluss verschiedener Futter-Protokollen, Schimmel-Farbe, weiblichem Geschlecht, Pony-Rasse, Monat, Alter und Body Condition Score (BCS) auf die b/pACTH-Konzentration bei Pferden und Ponys zu ermitteln. Einundsechzig Tiere älter als 16 Jahre wurden in drei Gruppen basierend auf klinischen Symptomen, Behandlung und bACTH verteilt: gesund = 20, PPID = 21, PPID behandelt mit Pergolid = 20. Die Studie hatte ein Crossover-Design und fand zwischen Mitte November und Mitte Juli statt. Die Messung von b/pACTH wurde drei Mal bei jedem Tier nach unterschiedlichen Futter-Protokollen (Fasten, nur Heu, Heu + Kraftfutter) durchgeführt und die Reihenfolge wurde stratifiziert randomisiert. Die Blutentnahme erfolgte vor und exakt zehn Minuten nach einer intravenösen Injektion von 1 mg Protirelin. Der TRH-Stimulationstest wurde erfolgreich bei allen Pferden durchgeführt. Die Nebenwirkungen waren geringfügig und dazu gehörten vor allem Schnaufen, Lippenlecken, Juckreiz, Kotabsatz und Flatulenzen. Die Hypothese, dass die Fütterung einen Einfluss auf b/pACTH hat, wurde in dieser Studie nicht bestätigt und es gab keine Unterschiede in b/pACTH zwischen den verschiedenen Futter-Protokollen (Friedman-Test). Nichtsdestotrotz sollten das Anbieten unterschiedlicher Typen an Kraft- und Rauffutter sowie unterschiedliche Fütterungszeiten weiter untersucht werden. Im Mixed Modell wurde das bACTH durch die Gruppe beeinflusst und die niedrigsten Werte wurden bei gesunden und die höchsten bei nicht-behandelten PPID-Pferden gemessen, was bestätigt, dass Pergolid das bACTH reduzieren kann. Es gab Hinweise, dass eine wiederholte Messung innerhalb von zwei Wochen zu einer Reduktion des bACTH führen kann, was auf eine Gewöhnung des Tieres an die Untersuchung zurückzuführen ist. Das pACTH wurde durch die Gruppe, Monat und Schimmel-Farbe beeinflusst. Pergolid hatte wenig Effekt auf pACTH und die Ergebnisse waren am höchsten in der behandelten PPID-Gruppe, welche sich nicht signifikant von denen der nicht-behandelten PPID-Gruppe unterschied. Das pACTH war am höchsten im Juli und im November und basierend auf den neuen Empfehlungen der Equine Endocrinology Group (2021), sollte der TRH-Stimulationstest nicht mehr in diesen Monaten durchgeführt werden. Alternativ sollten neue Referenzwerte entwickelt werden. Interessanterweise wiesen Schimmel signifikant höheres pACTH im Vergleich zu anderen Farben auf. Die Resultate deuten drauf hin, dass die Fütterung über Nacht wenig Effekt auf das b/pACTH hat. Es gibt Evidenz, dass eine Therapie mit Pergolid das bACTH reduzieren kann, aber es hat wenig Effekt auf pACTH. Die beschriebenen Ergebnisse rechtfertigen weitere Studien in einer größeren Tiergruppe, mit mehreren Untersuchungen pro Monat und einer größeren Schimmel-Population. Des Weiteren sollte weiter geforscht werden, ob eine klinische Verbesserung und eine angepasste Pergolid-Dosierung zu einer Normalisierung des pACTH bei Pferden mit PPID führen sollte. Eine zuverlässige PPID-Diagnose kann nur gestellt werden, wenn alle Einflussfaktoren auf b/pACTH erkannt werden.

Protein-protein interactions (PPIs) are the drivers of most biological processes. Cross-linking mass spectrometry (XL-MS) allows the detection of PPIs from complex biological systems and even in vivo scenarios by combining chemical cross-linking with small reactive molecules, proteolytic digestion and LC-MS (liquid chromatography coupled to mass spectrometry) analyses. However, as the abundance and physicochemical properties of cross-linked peptides differ from those of unmodified peptides, the reliable identification and accurate quantification of cross-linked peptides requires tailored protocols, efficient acquisition strategies and dedicated data analysis pipelines. Throughout my doctoral studies, I focused on advancing different steps of the XL-MS pipeline, including (1) the optimization of acquisition parameters for the detection and quantification of isobarically labeled cross-linked peptides, (2) the development of novel methods for the targeted detection of cross-linked peptides over less wanted species, and (3) the introduction of a ground truth dataset for benchmarking existing cross-linking database search engines and the development of new computational tools. Firstly, I described a speedy MS2-based acquisition strategy with an optimized stepped collision energy of 42% ± 6 and a perfect balance between sensitivity and accurate quantification of TMT-labeled cross-linked peptides from complex samples. Previously described MS2-MS3-based methods were shown to have exhaustive duty cycles, hampering the identification of cross-linked peptides, although their quantification capabilities overcame MS2-based methods. Secondly, utilizing a real-time library search (RTLS) algorithm was shown to increase cross-link identifications by 45% as the instrument was able to partially distinguish cross-links from other peptide species based on the unique relative intensity pattern of a set of four diagnostic peaks. This was achieved by performing a fast scan on each precursor and comparing it on-the-fly to a library of theoretical spectra for cross-links and other species. Exhaustive identification scans were only triggered when the previous survey scan matched to the theoretical cross-link spectrum. Lastly, I generated a dataset with known PPIs by mixing purified proteins according to a defined scheme and heat-induced interactions. The dataset was used to monitor the empirical false-discovery rate of various existing database search algorithms. Multiple features of spectral quality from this dataset have been used to develop Scout, a machine-learned cross-link search engine that greatly outperforms other software in terms of usability, sensitivity, reliability and speed. Taken together, these methodological achievements display a considerable progress for the XL-MS community by providing versatile tools that will promote the research on PPIs across various biological models.

Alternative splicing of pre-mRNAs can regulate the expression and function of proteins. As such it is a major tool of eukaryotes to adapt their proteome – and thus the whole organism – to external and internal changes of circumstances. In mammals body temperature cycles result in oscillating alternative splicing driven by rhythmic phosphorylation of SR-proteins. Recently, it has been shown that this is facilitated by temperature dependent activity of Cdc2-like kinases (CLKs). Temperature sensitivity is conserved across evolution and the active temperature range of the kinases is adapted to the body temperature or growth temperature of the corresponding organism. While it has been shown that the temperature dependence of CLK activity is mediated by conformational changes in the activation segment, the mechanisms by which the active temperature range of the kinases is adapted to the organisms body temperature remained elusive. Here we show multiple structural features fine-tuning the active temperature range of CLK homologues. We characterized a CLK homologue, CmLIK, and its substrate phosphorylation from the ancient thermophilic red alga C. merolae and could show that kinase activity at high temperatures is mediated by activation segment stabilization via a salt bridge in the P+1 loop. In contrast to other CLK homologues auto phosphorylation of CmLIK shows markedly different patterns than substrate phosphorylation. Furthermore, we identified an H-bond network from a residue in the P+1 loop of a CLK homologue from A. thaliana, AtAFC3, that stabilizes the activation segment and also mediates kinase activity at higher temperatures. We could show that AFCs play a role in heat responsive hypocotyl elongation in A. thaliana upstream of PIF4, the major regulator of thermomorphogenesis. Our results demonstrate stabilization of the P+1 loop of the activation segment as a common mechanism mediating CLK homologue activity at high temperatures. With the characterization of CmLIK we found a model system to study an ancient CLK homologue with activity at high temperatures. Our findings lay the foundation for exploration of genetic engineering of crop plant AFCs to facilitate kinase activity at higher temperatures and adapting their thermomorphogenesis accordingly. This could lead to a partial solution of the problems crop plant growth faces due to global warming.

Subgingivale Restaurationsränder und subkrestale Defekte tief zerstörter Zähne stellen aus restaurativer Sicht insofern eine Herausforderung dar, als in den meisten Fällen die biologische Breite verletzt wird und nicht genug Zahnhartsubstanz für die Retention einer Kronenversorgung zur Verfügung steht. Dabei kann die orthodontische Extrusion, bei der die Zahnwurzel aus der Alveole bewegt wird, eine Restauration ermöglichen. Dieses Therapiekonzept ist in der wissenschaftlichen Literatur bisher auf Fallberichte beschränkt. Die Therapiealternative ist die Zahnextraktion, die in der Regel eine Implantatversorgung nach sich zieht. Derzeit existieren keine klinischen Studien, die beide Therapiekonzepte im Vergleich untersuchen. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, das Konzept der orthodontischen Extrusion für die Restauration tief zerstörter Zähne zu untersuchen und dieses mit der implantatprothetischen Rehabilitation zu vergleichen. Zunächst wurden Überlebensraten restaurierter, endodontisch behandelter Zähne von 128 Patienten nach bis zu 15 Jahren ausgewertet. Die Langzeitprognose endodontisch behandelter Zähne war dabei nicht von der Art des Stiftmaterials abhängig, wenn eine adhäsive Zementierung im Wurzelkanal und eine zirkumferente Fassreifenpräparation erfolgte. Diese Voraussetzung kann durch eine orthodontische Extrusion als präprothetische Maßnahme geschaffen werden. Im Rahmen einer klinischen Studie wurde die Überlebens- sowie Komplikationsrate von tief zerstörten Zähnen nach orthodontischer Extrusion und nachfolgender Restauration untersucht. Nach einem Beobachtungszeitraum von bis zu 5 Jahren wurden 30 Patienten eingeschlossen. Zwei Zähne mussten aufgrund einer Fraktur entfernt werden. Die häufigste Art der Komplikation war die Intrusion. Es konnte gezeigt werden, dass die orthodontische Extrusion eine vorhersagbare Methode darstellt, tief zerstörte Frontzähne und Prämolaren zu erhalten und mit Einzelzahnkronen zu versorgen. Darüber hinaus erfolgte eine Post-hoc-Analyse dieser Therapieform. Die Kostenparameter wurden im deutschen Gesundheitssystem aus der Perspektive der privaten Kostenträger erfasst. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde der prozentual höchste Anteil der Gesamtkosten initial verursacht. Die Kosten für die Nachbehandlungen und Komplikationen waren gering, da nur wenige Misserfolge auftraten. Für den Implantatvergleich erfolgte eine Kosten-Zeit-Analyse im Rahmen einer prospektiven klinischen Studie. In einer Patientenkohorte wurden die Zähne nach orthodontischer Extrusion mit Einzelzahnkronen restauriert, während in einer zweiten Patientenkohorte die Zähne extrahiert und mit implantatretinierten Einzelkronen ersetzt wurden. Es konnten Daten für 40 Patienten nach einem Jahr erfasst werden. Implantatgetragene Rehabilitationen sind mit deutlich höheren initialen Kosten und häufigeren Behandlungssitzungen verbunden, während der Zahnerhalt eine insgesamt längere Behandlungszeit beansprucht. Diese Ergebnisse resultieren in vergleichbaren Opportunitätskosten. Darüber hinaus wurde die mundgesundheitsbezogene Lebensqualität für beide Gruppen mit Hilfe eines validierten Fragebogens erfasst. In Bezug auf funktionelle Einschränkungen und physische Beeinträchtigungen war die mundgesundheitsbezogene Lebensqualität während der Extrusion im Vergleich zu Implantation kurzzeitig vermindert. Vor der Behandlung, nach der Restauration und zum Zeitpunkt der Nachuntersuchung ist für Patienten mit Implantatversorgungen und Patienten mit Einzelkronen nach orthodontischer Extrusion die mundgesundheitsbezogene Lebensqualität vergleichbar und war für beide Therapiekonzepte ab dem Zeitpunkt der Erstvorstellung verbessert.

Auf Basis der vorliegenden Untersuchungen stellt das Therapiekonzept der orthodontischen Extrusion einen geeigneten therapeutischen Ansatz dar, tief zerstörte Zähne zu erhalten und zu restaurieren.

Seltene Erkrankungen haben durch ihre Vielzahl eine hohe kumulative Prävalenz. Die meisten haben genetische Ursachen. Initiativen wie das European Joint Programme on Rare Diseases und das Translate-Projekt des Nationalen Aktionsbündnisses für Menschen mit Seltenen Erkrankungen zielen auf die Verbesserung der Versorgung Betroffener. Dies erfordert neue diagnostische Verfahren in der klinischen Genetik. Next-Generation-Sequencing (NGS) bietet hier großes Potenzial, da es eine umfassende, schnelle und kostengünstige genetische Testung ermöglicht. Auch seltene, unspezifische oder unklare Symptome lassen sich durch reverse Phänotypisierung pathogenen Mutationen zuordnen. Hierfür wurden Software und Leitlinien (ACMG/AMP-Kriterien) entwickelt, die Informationen zur genetischen Diagnosestellung zusammenführen. Die phänotypische Erfassung gestaltet sich jedoch schwierig, da etwa die HPO zwar phänotypische Merkmale strukturiert beschreibt, aber für die exakte Erfassung fazialer Merkmale weniger geeignet ist. Maschinelles Sehen, wie bei DeepGestalt, kann hier unterstützen, indem es genetische Syndrome anhand von Gesichtsmerkmalen erkennt. Diese Arbeit untersucht, wie NGS und faziales NGP die Diagnostik seltener genetischer Erkrankungen verbessern können. In einem Fall konnten durch Whole-Exome-Sequencing (WES) biallelische Mutationen in DONSON bei zwei Geschwistern identifiziert werden, was die Diagnose der Erkrankung MISSLA statt einer Fanconi-Anämie ermöglichte. DeepGestalt kann die Priorisierung von Exomdaten bei seltenen Diagnosen unterstützen, hat jedoch noch Defizite in der Spezifität. Whole-Genome-Sequencing (WGS) bietet eine umfassendere Testmöglichkeit, wie der Nachweis relevanter Varianten bei Extremitätenfehlbildungen und die Identifikation von HMGB1 als neues Krankheitsgen zeigen. Zukünftig könnten NGS und faziales NGP zusammen die Diagnostik seltener genetischer Erkrankungen weiter vereinheitlichen und beschleunigen, wobei eine genauere Erfassung epigenetischer und struktureller Varianten sowie nicht-kodierender Genombereiche notwendig bleibt.

Cell clustering is a crucial step in current single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) methods, where marker genes are identified and used for cell type annotation. However, this process can be time-consuming and laborious. To address this, biclustering algo- rithms have been developed to simultaneously identify functional gene sets and cell clusters. However, most existing biclustering algorithms are designed for microarray and bulk RNA sequencing data, and only a few are suitable for scRNA-seq analysis. These algorithms often suffer from issues such as limited scalability and accuracy. In this study, we propose Correspondence Analysis based biclustering on Networks (CAb- iNet), a graph-based biclustering approach specifically designed for scRNA-seq data. CAbiNet integrates multiple analysis steps by efficiently co-clustering cells and their marker genes, and visualizing the biclustering results in a non-linear embedding. We introduce two visualization approaches that enable the joint display of genes and cells in a two-dimensional space. Additionally, a random forest regression model is trained to predict the quality of clustering results, facilitating the selection of optimal parame- ters. CAbiNet fills the gap for a high-performing biclustering algorithm in scRNA-seq and spatial transcriptomics data analysis. It streamlines existing workflows and offers an intuitive and interactive visual exploration of cells and their marker genes in a single plot for efficient cell type annotation. CAbiNet is available as an R package on GitHub at https://github.com/VingronLab/CAbiNet.

In this cumulative dissertation the following topics are presented: 1. The photochemical reaction of defect-free graphene with iodine and characterization of the resulting trans-oligoene substructures in the graphene lattice 2. The influence of lattice defects on the formation of trans-oligoene substructures in graphene The research was conducted in collaboration with the research groups of: - Prof. Dr. Kirill I. Bolotin, Department of Physics, FU Berlin - Dr. Patryk Kusch, Department of Physics, FU Berlin The detailed results and experimental information can be found in the attached publications in section 6.1 and 6.2. The covalent functionalization of graphene allows to tailor the properties of graphene by opening a bandgap and controlling the chemical structure and is therefore under extensive investigation. Radical addition reactions of halogens such as fluorine and chlorine are among the most common reactions, while iodine has so far not shown any reaction with high-quality graphene due to its lower reactivity. This work demonstrates the first photochemical reaction between defect-free graphene and iodine and provides a reaction mechanism for this unique reactivity. Novel Raman modes with unprecedented intensity were observed after the reaction that exceeded graphene’s characteristic signals. Therefore, the first part of this work focuses on elucidating the properties of the novel material and understanding the observed reactivity. For this, graphene was reacted with iodine and Raman spectra were recorded with various excitation energies showing the dispersive nature of the new Raman signals and a lack of graphene D-mode formation despite a coverage of around one iodine atom per 300 carbon atoms, as measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The high temperature of 400 °C needed for the reverse reaction signifies a thermodynamically stable structure, and transport measurements (in collaboration with Prof. Kirill I. Bolotin) revealed a strong hysteresis and a p-doping effect exceeding non-covalent iodine doping that was further confirmed by Kelvin probe force microscopy (in collaboration with Dr. Patryk Kusch). Based on these observations a reaction mechanism was proposed where the bulky iodine radicals selectively add to graphene by blocking the most reactive addition sites close to them and form trans-oligoene substructures by isolation of double bonds between sp3-defects. Based on these results, the influence of lattice defects on trans-oligoene substructure formation was explored using graphene with defined defect densities. It was confirmed that no Raman-active defects are introduced by the reaction and that substructure formation can occur in graphene with lattice defects. Due to their own set of characteristic Raman signals and the lack of contribution to the graphene D-mode trans-oligoene substructures could be monitored relative to the defect density. Statistical Raman analysis clearly showed the strong hinderance of substructure formation by lattice defects and a critical defect spacing of around 1 nm, below which no substructure formation is observed. This explains the absence of substructures in previous studies using highly defective graphene. It also defines a lower length limit of substructures observed at 532 nm excitation wavelength and comparison with model molecules suggest an average substructure length of about eleven double bonds. The formation of the trans-oligoene substructure demonstrates the importance of addend size and shape for regioselective addition reactions that was previously only achieved by supramolecular networks of complex organic molecules. This work further establishes the use of this novel functionality as a strong p-dopant that can be easily fabricated by laser patterning. The crucial discovery of a model system with strong spectroscopic signals will allow further investigation of substructure formation and the improved methodology for statistical analysis of separate structures in graphene with Raman spectroscopy provides a powerful tool for future research.

This work presents an investigation of the charge distribution across an operating, water splitting α-Fe2O3 photoanode from bottom up. The study covers the entire experimental framework from the preparation of a representative sample system via the construction of an appropriate sampling environment up to the direct detection and analysis of surface- and space charge at the electrode surface using second harmonic generation (SHG) spectroscopy in combination with photo-electrochemical standards. All results are constantly validated by a range of control measurements. It is shown how the progress of galvanic FeOxHy film deposition can be modified and monitored by the deposition potential and current, respectively. In the alkaline water photo-electrolysis current-voltage characteristics, a small capacitive signal is detected from the α-Fe2O3 photoanodes and discussed in terms of electronic surface state charging in good agreement with literature values. On the base of a kinetic analysis of cathodic photocurrent transients, a third order water oxidation rate law is inferred. By means of complementary density functional theory calculations, a photo-electrochemical oxygen evolution reaction mechanism is suggested and discussed in terms of surface charge accumulation processes. An SHG signal is measured and ascribed to the α-Fe2O3 photoanode material that can be modified by the external bias potential along both the intensity and spectral dimensions. The SHG response is shown to correlate with the band bending at the electrode surface according to the electric field induced second harmonic (EFISH) theory in good agreement with photo-electrochemical analyses of the sample system. With this, it is possible to directly map and analyse surface the band-bending as function of the applied potential. Considering the donor density in the semiconductor electrode material, a complete majority carrier depletion of the bulk semiconductor system at higher potentials is inferred in good accordance with findings on the morphology from electron microscopy and X-Ray diffraction. The concomitant transition from a quadratic to linear potential dependence of the SHG response is modelled in terms of a transition from purely depletive to dielectric electrode polarization in series with a semi-conductive back contact. Spectral changes of the potential dependent SHG response are interpreted analogously and considered an indication of an additional band-component to the semiconductor electronic structure.

Eine gut ausgeprägte Fähigkeit zur Perspektivenübernahme gilt als Grundlage für zufriedenstellende zwischenmenschliche Beziehungen. Damit Lehrkräfte positive Beziehungen zu Schüler*innen und Eltern erleben und in Gesprächen mit diesen kompetent beraten können, ist es wichtig, dass sie die Perspektive von Schüler*innen und Eltern übernehmen. Perspektivenübernahme zählt zu den allgemeinen sozial-emotionalen Kompetenzen, die Lehrkräfte erwerben sollen, und gilt als fester Bestandteil der Beratungskompetenz von Lehrkräften. Perspektivenübernahme ist insbesondere für die Beziehung zwischen Lehrkräften und Eltern von Bedeutung, da Kontakte und Gespräche mit Eltern von Lehrkräften häufig als belastend empfunden werden. Es ist jedoch unklar, inwieweit sich die Perspektivenübernahme als Kompetenz von Lehrkräften durch gezielte Interventionen fördern lässt. In drei Studien wurde daher untersucht, ob sich die Bereitschaft zur Perspektivenübernahme (gegenüber Schüler*innen und Eltern) in Beratungssituationen bei angehenden Lehrkräften fördern lässt. Hierzu wurde eine fallbasierte Lerngelegenheit entwickelt, bei der angehende Lehrkräfte im kooperativen Setting Aufgaben zu einem anstehenden Elterngespräch bearbeiten. Das Einnehmen der Perspektiven der fiktiven Gesprächsteilnehmer*innen wurde in einigen Bedingungen mit Hilfe einer Metapher gezielt unterstützt, indem die sogenannte „Hut-auf-Methode“ angewendet wurde. In Studie 1 wurde die Wirksamkeit der Lerngelegenheit mithilfe eines Interventions-Wartekontrollgruppendesigns mit 397 Lehramtsstudierenden untersucht. Dabei wurden drei Bedingungen realisiert: eine Interventionsgruppe mit der „Hut-auf-Methode“, eine Interventionsgruppe ohne die „Hut-auf-Methode“ und eine Wartekontrollgruppe. In Studie 2 wurde die Wirksamkeit der Intervention mithilfe eines Prä-Post-Designs mit 41 Referendar*innen mit sonderpädagogischem Schwerpunkt untersucht, wobei die Lerngelegenheit ausschließlich in der Version mit der „Hut-auf-Methode“ eingesetzt wurde. Studie 3 wurde mit einem Prä-Post-Interventionsgruppendesign und 515 Lehramtsstudierenden durchgeführt. Hier wurden zwei Instruktionsbedingungen verglichen, um zu überprüfen, ob es notwendig ist, die Perspektivenübernahme direkt mit der „Hut-auf-Methode“ zu instruieren oder ob eine indirekte Instruktion gleichermaßen wirksam ist. Zusätzlich zur selbstberichteten Bereitschaft zur Perspektivenübernahme wurden weitere abhängige Variablen zur indirekten Erfassung der Perspektivenübernahme implementiert, die vermutlich weniger durch soziale Erwünschtheit verzerrt sind: die Einstellung gegenüber der Person, deren Perspektive übernommen wurde, sowie die empathische und emotionale Sprache in Texten, die sich mit dieser Person befassen. In allen drei Studien zeigte sich nach der Bearbeitung der Lerngelegenheit ein positiver Effekt auf die Bereitschaft zur Perspektivenübernahme sowohl gegenüber Schüler*innen (Studien 2 und 3) als auch gegenüber Eltern (Studien 1, 2 und 3). Interessanterweise zeigte Studie 3, dass es keinen Unterschied machte, ob die Perspektivenübernahme direkt oder indirekt instruiert wurde. Zusätzlich wurde festgestellt, dass die Bereitschaft, die Perspektive der Schüler*innen einzunehmen, bei Lehramtsstudierenden grundsätzlich höher ausgeprägt ist als die Bereitschaft, die Perspektive der Eltern einzunehmen. Referendar*innen mit sonderpädagogischem Schwerpunkt zeigten diesen Unterschied nicht. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Perspektivenübernahme im Rahmen der (universitären) Lehrkräftebildung durch niedrigschwellige Lernangebote gefördert werden kann. Dies ist besonders wichtig für die Beratung von Eltern, da die Bereitschaft der Lehramtsstudierenden, deren Perspektive zu übernehmen, geringer ist und Elterngespräche im Schulalltag häufig als belastend empfunden werden.

What can ethnic differences tell us about the desiring gaze while addressing the motives that result from the power and desire in gay ethnic pornography in Europe? How do pornographic films authenticate their ethnic subject in different European countries and how can the fetishism of presenting an authentically foreign body be best approached? Is the transformation of sex tourism, which affects countries differently, reflected through the ever-evolving history of gay pornography in Europe? And how does this transformation contrast or overlap with the legacies of Orientalism and colonialism? In addressing these questions, this book will participate in ongoing debates concerning Orientalism and colonialism, and make a contribution to the growing field of pornography studies. While recent works by scholars have considered the relation between US mainstream gay pornography and its representations of ethnicity and ‘race,’ and have also discussed examples from Europe (predominantly France), no historical study has yet bridged the gap between earlier European gay ethnic pornography and its current, specifically German-Turkish manifestations. Furthermore, this exploration of recent studios like GayHeim will also contribute to discussions on the mobility issues of non-European men, while illustrating how these new productions can be refugee—or migrant—positive while simultaneously perpetuating Orientalism.

This thesis focused on the semiochemicals mediating host-searching behavior of the ectoparasitoid Holepyris sylvanidis (Hymenoptera: Bethylidae) which attacks larvae of various stored-product pest beetles, especially those of the confused flour beetle, Tribolium confusum (Coleoptera: Tenebrionidae). Prior to this thesis, it was already known that the parasitoid uses host-specific compounds released from larval feces of T. confusum for host location and that the attractiveness of host-specific kairomones for the parasitoid increases by the addition of habitat background odor. Moreover, host cuticular hydrocarbons (CHCs) serve as contact kairomones for host recognition by H. sylvanidis and mediate trail-following behavior in foraging parasitoids, but only for a period of two days. Despite these initial findings, many chemical and ecological aspects of the parasitoid’s host search and the potential of host-specific kairomones to enhance biological control were still poorly understood. Therefore, the goal of this thesis was to gain deeper insights in the chemically mediating host search of H. sylvanidis. Various behavioral bioassays and chemical analysis of host kairomones via coupled gas chromatography-mass spectrometry were performed to answer the following questions: (i) Which factors drive the loss of kairomonal activity of host larval CHC trails over time? (Chapter 2) (ii) Do H. sylvanidis females discriminate a host from a non-host species based on a host-specific CHC pattern present on the cuticle? (Chapter 3) (iii) Does the additional application of host-specific kairomones improve the host search activity of the parasitoid and thus, its efficiency in controlling T. confusum? (Chapter 4). In Chapter 2, we first investigated whether the time-limited kairomonal activity of host trails was due to changes in the CHC composition induced by microbes. Chemical analysis revealed that the CHC profile of host trails did not change qualitatively or quantitatively over a two-day period regardless of whether they were analyzed under sterile or non-sterile conditions. These results prompted the suggestion that factors other than microbial degradation might determine the temporary behavioral activity of CHC trails. This assumption was confirmed by our cryo-scanning electron microcopy results. Within two days, host trails gradually formed solid microstructures most likely due to a self-assembly of CHCs. But this process was reversible by hexane application which in turn led to the recovery of kairomonal activity of two-day-old CHC trails. Parasitoids followed these re-activated host trails as they did when encountering freshly laid ones. Our results suggest that the gradual solidification of long-chain CHCs in a host trail over time reduces the perceptibility for H. sylvanidis as such that the trail is no longer followed. In Chapter 3 we examined the influence of different CHC profiles of three closely related and one distantly related beetle species on the host recognition behavior of H. sylvanidis. In bioassays the parasitoid successfully recognized and accepted larvae of Tribolium spp. as hosts, whereas larvae of Oryzaephilus surinamensis were rejected. The latter species elicited a behavioral response in H. sylvanidis only when solvent extracted larvae were treated with a sample of T. confusum larval CHCs. Chemical analysis of larval extracts showed that the CHC profiles of the host and non-host species differed in their compositions. The main difference was the presence of methylated alkanes (MeAL) on the cuticle of Tribolium spp. and the absence of MeAL on that of O. surinamensis. MeAL serve as host recognition cues that enable the parasitoid to distinguish a host from a non-host species. In Chapter 4, we first examined whether volatiles associated either to T. confusum larvae or to other host stages (e.g., beetle adults) participate in the host search of H. sylvanidis over long distances. The parasitoid was most attracted to a mix of two larval key compounds (2CM = (E)-2-nonenal and 1-pentadecene) emitted from larval feces, but the behavioral response of the parasitoid was concentration dependent. In contrast, volatiles released by T. confusum adults were not attractive for the parasitoid in all concentrations tested. We then studied whether the additional presence of synthetic 2CM (in the most attractive concentration) has an enhancing effect on the host search of H. sylvanidis. In three-day lasting flight cage experiment we offered T. confusum larvae either with additionally applied 2CM (test) or without (control) to parasitoid females. In test cages, parasitoids removed significantly more beetle larvae from the initial population within 48 h and parasitized a significantly higher number of host larvae after 72 h compared to those in the control cages. Furthermore, significantly more parasitoid offspring emerged from host larvae parasitized in the presence of 2CM. However, the increasing population size in the F1 was due to a significant increase in male offspring. These results illustrate that the host-finding success and parasitization rate of parasitoids can be improved by the additional release of host-specific, synthetic kairomones. But this is associated with changes in the population composition (male/female) of the parasitoid progeny. Overall, the results obtained in this thesis on the semiochemicals mediating host-searching behavior of a natural antagonist of stored-product pest beetles contribute to a better understanding of the interaction between parasitoids and their host species. In addition, they provide important insights into the potential use of host-associated, behaviorally modifying compounds to increase the efficiency of parasitoids in the biological control of insect pests in storage environments.

In this thesis, we are dealing with prosodic language contact between the languages Vietnamese and French. This pair of languages is interesting in that both languages are prosodically very different and have very interesting prosodic properties individually. While in Vietnamese each syllable is assigned a lexical tone, French is not a lexical tone language. On the other hand, French has consonant clusters and a larger coda consonant inventory than Vietnamese. Regarding syllable structures, both languages are typologically atypical, in different respects. Our research is devoted to different language contact situations as well as to both directions of language contact. The starting point of our experimental research is the observation of French loanwords in Vietnamese. In this context, we examine prosodic adaptation patterns that speakers have undertaken to adapt the loanwords to Vietnamese. The focus is on the repair of structures that are illicit in Vietnamese: consonants in certain positions in the syllable are replaced or deleted, consonant clusters are dissolved by epenthesis or by deletion of one of the two consonants, syllable boundaries are shifted, consonants or consonant slots in certain syllabic structures are doubled, and tones are assigned to syllables according to certain patterns. The aim of our experimental investigations then is to find out whether similar or different patterns occur in an instantaneous situation of language contact. Monolingual speakers of Vietnamese are exposed to French stimuli and asked to reproduce them in three different conditions. We have additionally conducted the same experiment with learners of French whose first language is Vietnamese. The experimental data show many similar patterns to the loanword data. However, the data from monolingual speakers in particular display much more variability. Finally, we reverse the direction of language contact: native speakers of French are asked to reproduce Vietnamese stimuli. In this case, the question is whether certain patterns can be reversed in the opposite direction, which can partly be observed. With the help of the present work, we can gain a deep understanding of systematicity and variability in borrowing and second language acquisition. We conclude that from a phonological perspective, there are many similarities between the two fields of prosodic language contact, and we suggest, for the phenomena under consideration, to understand some aspects in their complexity in a gradual rather than a categorical way.

Die in dieser kumulativen Habilitationsschrift zusammengefassten Arbeiten beschäftigen sich mit prognostischen Markern in der Epileptologie, ihrem Einfluss auf die Diagnosestellung einer Epilepsie sowie den sich daraus ergebenden therapeutischen Konsequenzen.

In einer ersten Arbeit konnte gezeigt werden, dass klinische Parameter bei der Identifizierung akut-symptomatischer Anfälle in der Notaufnahme unterstützend herangezogen werden können. In der Studie mit insgesamt 695 Patient:innen waren drei Variablen unabhängig mit dem Vorliegen akut-symptomatischer Anfälle assoziiert: männliches Geschlecht, keine vorherige Diagnose einer Epilepsie sowie eine bilaterale oder generalisiert tonisch-klonische Anfallssemiologie. Ein Alkoholentzug war mit Abstand die häufigste Ursache akut-symptomatischer Anfälle, gefolgt von hämorrhagischen Schlaganfällen, die die häufigste Ätiologie strukturell-bedingter akut-symptomatischer Anfälle ausmachten.

In zwei Arbeiten wurden grenzwertige Befunde in der Abgrenzung von Epilepsien und in der Neuroprognostik untersucht:

In einer Meta-Analyse entsprechend der ‚PRISMA guidelines‘ wurde nachgewiesen, dass bei Patient:innen mit epileptischen Anfällen Läsionen der weißen Substanz mutmaßlich vaskulärer Genese gehäuft auftreten. Dabei sind Prävalenz und Schweregrad – nicht aber das Volumen der ‚white matter lesions‘ – unabhängig mit dem Vorliegen epileptischer Anfälle assoziiert, was auf eine hervorgehobene Bedeutung der Lokalisation der ‚white matter lesions‘ hindeutet.

Neben ‚white matter lesions‘ im MRT wurde mit periodischen EEG-Veränderungen nach Reanimation ein weiterer diagnostischer Marker analysiert. In einer Studie über EEG-Veränderungen bei Patient:innen mit hypoxisch-ischämischer Enzephalopathie wurde untersucht, wie auch ein spätes EEG – durchgeführt 5-14 Tage nach Reanimation – in der Neuroprognostik herangezogen werden kann. Der Nachweis generalisierter periodischer Entladungen (GPDs) bei supprimierter Hirnaktivität war mit einer falsch-positiven Rate von 0 der sicherste EEG-Prädiktor für ein ungünstiges Outcome. Die Identifikation einer Patientin mit günstigem Outcome bei vollständig supprimierter EEG-Aktivität ohne generalisierte periodische Entladungen unterstreicht die Notwendigkeit eines multimodalen Ansatzes in der Neuroprognostik.

In einer weiteren Arbeit wurden Epilepsien ischämischer Genese näher untersucht: In einer Analyse von 595 Patient:innen wurde festgestellt, dass Post-Stroke Epilepsien eine bessere Prognose hinsichtlich des Erlangens von Anfallsfreiheit unter Medikation haben als fokale Epilepsien anderer oder unbekannter Ätiologie. Diese bessere Prognose war dabei nicht Folge einer intensiveren medikamentösen Therapie. Patient:innen mit einer Epilepsie aufgrund eines ischämischen Schlaganfalls hatten die geringste Medikationslast, was das gute Ansprechen von Epilepsien dieser Ätiologie auf anfallssuppressive Medikation unterstreicht.

Wie in der klinischen Praxis mit Epilepsien, die gut auf anfallssuppressive Medikation ansprechen, verfahren wird, war Gegenstand der letzten vorgestellten Arbeit. Hier wurde gezeigt, dass ein Großteil der mehrjährig anfallsfreien Patient:innen ihre Medikation unverändert fortsetzt. Trotzdem erscheint die Erörterung eines Absetzversuchs immer lohnenswert. Denn diese wurden zu jedem Zeitpunkt der Anfallsfreiheit versucht. Sie waren am häufigsten bei Patient:innen mit einer anfallsfreien Zeit von ≥ 10 Jahren. Die unveränderte Fortführung der anfallssuppressiven Medikation war unabhängig assoziiert mit bilateral tonisch-klonischen oder generalisierten Anfällen, vorangegangenen sporadischen Anfallsrezidiven, gescheiterten Absetzversuchen sowie mit einer höheren Dosierung der anfallssuppressiven Medikation.

In the Solar System, the saturnian moon Enceladus and the jovian moon Europa are potentially habitable and the most promising candidates for space missions searching for extraterrestrial life. The subsurface oceans of these moons constitute the long-lived presence of large amounts of liquid water, a common component of icy moons throughout the outer Solar System. In addition, the rocky seafloors of both moons allow for rich geochemistry in their subsurface oceans, potentially including the formation of complex organic material at hydrothermal vent systems, which could also provide an energy source for another emergence of life. The exploration of icy ocean moons can be performed using impact ionization mass spectrometry, a powerful technique to thoroughly analyse the composition of ice grains ejected from both the surface ice shell and subsurface liquid reservoirs. The Cosmic Dust Analyzer (CDA) onboard the Cassini mission detected a variety of salts, complex and reactive organic compounds, as well as bioessential elements in ice grains ejected by the plume of Enceladus into space. CDA mass spectra provided strong evidence for habitable conditions at the seafloor of the moon. These discoveries greatly benefitted from laboratory analogue mass spectra complementing the CDA data, obtained from a laboratory setup using Laser Induced Liquid Beam Ion Desorption (LILBID) as an ionisation source coupled to time-of-flight mass spectrometry. CDA paved the way for the SUrface Dust Analyzer (SUDA), its improved successor instrument onboard the upcoming Europa Clipper mission, which will provide a deeper understanding of Europa’s habitability. SUDA aims to characterize the composition of the subsurface ocean or liquid inclusions in the icy crust by analysing young endogenic surface material or possible cryovolcanic plume material. Preparation for SUDA’s mission and related data analysis requires considerable laboratory work. This thesis describes LILBID experiments simulating the mass spectral signatures of both salt- and organic-rich ices, as expected to be encountered by SUDA or similar instruments on a future mission to Enceladus. After a description of the current state of research into the habitability and astrobiological potential of both Europa and Enceladus in Part I, Part II details how SUDA-type instruments could detect organic molecules embedded in salt-rich ice grains. LILBID mass spectra were recorded for several organic species with various properties, derived from a range of functional groups, together with either NaCl, MgSO4 or H2SO4 at concentrations relevant for the surfaces of icy moons. Mass spectrometric signatures of the organic species can be detected via their molecular ions and a range of cluster species with Na+, Mg2+, Cl−, OH−, HSO4− ions, and NaCl, MgSO4 and H2SO4 molecules. The presence and intensity of these characteristic organic-rich peaks depends on the inorganic matrix and its concentration. The intensities of analyte signatures decrease with increasing salt concentrations due to suppression effects. In contrast, they are increased by the presence of sulfuric acid matrices in cation mode. Moreover, the sensitivity to different organic species strongly depends on the instrument polarity (cation or anion mode of the spectrometer) and on molecular properties, especially the functional groups present. The recorded spectra are an important foundation to characterise both the organic and salt composition in ice grains from Europa and Enceladus and, by extension, potential constituents of the subsurface oceans. Part III reveals a previously unknown capability of SUDA-type instruments: the ability to determine the oxidation state of iron in iron-bearing salts (or other minerals) embedded in ice grains. Such analytical capability may, in the near future, allow the elucidation of key parameters related to the geochemistry of subsurface oceans on icy moons, notably their redox chemistry and pH. These factors may have implications for hydrothermal mineralogy as well as possible metabolic activity of putative microbial life. Further ongoing projects that have been conducted in the framework of this PhD project are briefly described in Part IV. They cover the irradiation of (i) icy samples containing molecular biosignatures to evaluate their degradation under the harsh radiation environment of Europa’s surface, and (ii) simple compounds (CH3OH:NH3:H2O ice) leading to the synthesis of a variety of complex organic structures. Moreover, an outlook is given on a future expedition to acquire samples in Antarctica - the best icy moon analogue on Earth - that has been planned during this PhD project. Finally, this work concludes with a summary of the most relevant results of this thesis (Part V).

High-mountain landscapes are becoming increasingly dynamic under climate change, with environmental changes impacting ecosystems and societies in and near mountains. The mountain cryosphere responds to rising atmospheric temperatures with declining snow and ice cover and thawing permafrost. The snow and ice cover decline modifies the surface energy balance, allowing increased heat transfer from the atmosphere into the ground and affecting mountain permafrost. Coupled with reduced mechanical ice support by retreating glaciers, high mountain landscapes destabilise and respond with increased bedrock erosion and sediment production. Mountain glaciers become increasingly covered by supraglacial debris of variable thickness that modifies their response to climate change by altered melt rates. Observations of increased rockfall activity, catastrophic slope failures, and cascading hazards related to climate change highlight the need for large-scale monitoring and detection techniques to analyse recent landscape changes and identify regions at risk of warming-related natural hazards. In this thesis, I evaluate the potential and limitations of thermal infrared remote sensing to detect and analyse glacial landscape dynamics based on land surface temperature (LST) observations acquired from an unpiloted aerial vehicle (UAV) and multidecadal time series (1984-2022) of combined Landsat sensors. In the first study, I measured a significant portion of the diurnal temperature cycle of a debris-covered glacier section in Switzerland using UAV-acquired very high-resolution LST data and estimated spatially distributed debris thickness using two distinct approaches. The results showed that the nonlinearity in the relationship between LST and debris thickness varies throughout the day, which is relevant for interpreting satellite-derived debris thickness estimates at fixed acquisition times. Sub-daily LST measurements further allow quantifying surface energy balance components that satellite-based approaches cannot capture. Consequently, UAV-derived debris thickness maps can be used to calibrate and correct satellite-derived estimates, bridging the gap between spatial and temporal scales. Despite the relatively large RMSE in debris thickness estimates, this study is the first to discuss the limits and opportunities of UAV-derived LST to study the evolution of debris-covered glaciers. While UAV-derived LST can provide insights into glacial landscape changes over short time scales and relatively small spatial extent, detecting and monitoring longer-term changes at mountain range scale require long LST records and high spatial resolution to account for the steep altitudinal temperature gradients. In Chapter 3, I access patterns and trends in Landsat-derived LST data across the Swiss Alps using a harmonic model including a linear trend component. Comparison with LST time series from 119 weather stations revealed good accuracy of Landsat LST and LST trends. However, LST trends are biased due to orbital changes that cause variations in acquisition times, affecting the temporal coherence of LST measurements. Analysis of high temporal resolution LST from alpine weather stations shows that the linear change in Landsat acquisition time can explain a trend of 0.045 K y-1. However, the LST trend bias varies with topography, and I used modelled incoming shortwave radiation as a proxy to estimate the spatial variability of the LST trend bias. The corrected LST trends suggest that the highest LST warming rates are found in regions where mean annual land surface temperature is between -5 and 0°C and snow cover loss and permafrost thaw are expected to be large. In Chapter 4, I used several land cover datasets and created binary masks to compare the distributions of LST trends and their elevational differences for selected land cover and land cover change categories across the European Alps. Despite significant uncertainties in some of the binary masks, mean LST trends significantly vary with land cover and land cover changes, with a spatially averaged mean LST trend of 0.09 Kyr-1. The analysis further shows that warming rates of regions with significant snow cover loss increase with elevation, while other land cover types do not show such patterns. The studies in this thesis are the first to access LST and LST trends at unprecedented high spatial resolution, contributing to a better understanding of the climate sensitivity of glacial landscape dynamics and identifying regions prone to warming-related natural hazards.

The porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV), an Arterivirus stands as one of the most impactful infectious pathogens, causing substantial economic losses in the swine industry. The minor glycoprotein Gp3 possesses an unusual hairpin-like membrane topology. The N- and C-terminus are exposed to the outside of the virus particle and anchoring to the membrane is achieved by an amphiphilic helix. The objectives of this study were to investigate the influence of the amphiphilic helix and the C-terminus of GP3 on viral replication in cell culture and to investigate whether the amphiphilic helix can be replaced by another amphiphilic helix with the same properties. I demonstrate that deletion of the C-terminal region leads to a slowdown in virus growth compared to the wild-type virus. Notably, the virus regains the C-terminus of GP3 after serial passage in cell culture. Moreover, substituting amino acids in the hydrophilic face of the helix with alanine results in the failure to rescue the virus, while the exchange of hydrophilic amino acids with more hydrophobic ones either causes virus rescue failure or strong reduction in virus titer. Additionally, swapping the position of two pairs of amino acid within the amphiphilic helix, which maintains its hydrophobicity and amphiphilic character, prevents rescue of infectious virus particles. Intriguingly, despite these alterations, the amphiphilic helix with substituted amino acids retains its binding capacity to membranes. This underscores that the amphiphilic helix cannot be replaced by another amphiphilic helix with similar biophysical properties without affecting the virus's behavior. Finally, five inhibitors were tested on PRRSV-1 and PRRSV-2 replication and it was shown that Remdesivir, GS-441524, EIDD-2801 and Ribavirin effectively inhibit virus replication whereas GC376 have no effect.

The determination of the transfer of undesirable substances and contaminants from oral exposure of farm animals into food of animal origin is essential to human risk assessment and management. The aim of this thesis was to develop physiologically-based toxicokinetic (PBTK) models that can be used to predict the concentration of specific contaminants in food of animal origin, based on the concentration in feed. Three groups of toxins were considered in the modelling approaches: polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) and polychlorinated dibenzofurans (PCDFs), for short “dioxins”; polychlorinated biphenyls (PCBs); and quinolizidine alkaloids (QAs). As the first two groups, dioxins and PCBs, are quite similar from a kinetic point of view, they have been evaluated together and separately from the QAs. To gain a better understanding of the current state of research on the transfer of dioxins and PCBs to cow’s milk, a review of the literature was first compiled and published in two parts. This showed that although many modelling approaches have been developed, sufficiently complex models are often based on limited data sets. Therefore, there is still an urgent need for PBTK models that have been validated with sufficient data to accurately predict the transfer of dioxins and PCBs into milk and tissue. Within the framework of this thesis, two well parameterised PBTK models were successfully developed on a broad basis of experimental measurements. The first published model is based on data derived from a PCB contamination incident and describes the distribution of three non-dioxin-like (ndl) PCBs in various tissues and milk of an adult cow during two lactations and one dry period as well as in their calves. This also includes the transfer of the investigated ndl-PCBs from the adult cow to her calf via placenta and milk. Of particular note is the ability of the model to distinguish between placental transfer and milk transfer through suckling with 10-14 % of the amount of congeners in calves at slaughter was due to placental transfer. Several parameters were derived for risk assessment quantifying theses transfer and distribution processes. The second published model uses data from a feeding study in which dairy cows were fed a mixture of numerous dioxins and PCBs at different time intervals during their negative energy balance (NEB) and positive energy balance (PEB) phases to assess the effects of different metabolic states on the transfer of contaminants into milk. This was done with a three-compartment model that was parameterised separately for the NEB and PEB phases and reliably predicts the concentration-time (ct) profile of the investigated contaminants in milk and blood. It is particularly worth mentioning that some of the parameters derived here were reported for the first time. Comparison of the parameters obtained in the different energy balance phases revealed that the transfer rates of the investigated contaminants are significant higher in the PEB phase than in the NEB phase. Significant differences were also found for other parameters such as β half-lives, but to a much lesser extent. In the second part of the thesis, the knowledge gained from modelling approaches with dioxins and PCBs in cows was used to develop a model describing for the first time the transfer of three ndl-PCBs from feed into tissues of fattening pigs. The PBTK model was based on a feeding study in which fattening pigs were fed with ndl-PCBs contaminated feed at different stages of their fattening period. The model consists of a liver and a fat compartment, which allows to describe the concentration of ndl-PCBs in the most relevant tissues for the consumer, i.e., muscle (based on its fat content) and liver. In addition, various transfer parameters were derived, which allows the quantification of the extent of transfer of these contaminants to these tissues under realistically changing feeding conditions and animal growth. The lowest transfer rate was obtained for PCB-28 with 9.57 % and the highest transfer rate was obtained for PCB-153 with 77.2 %. In the final part of this thesis, QAs in dairy cows were investigated, which are kinetically completely different in their behaviour in comparison to dioxins and PCBs. QAs are potentially toxic plant secondary metabolites from lupins, a high-protein crop. Based on a feeding study in which dairy cows were fed subsequently with different amounts of QA-containing lupins, a PBTK model was developed to investigate the transfer of QAs into milk and its dose-dependency. As QAs are eliminated much faster from the body of the cows than dioxins and PCBs, aspects such as milking time and feeding time had to be taken into account. Since the ct-profile of QAs in milk during the depuration showed a biphasic behaviour, a three-compartment model was developed that induces a biphasic depuration phase in milk. This made it possible to describe the measured data quite well despite the high variability of the data points. The size of the experiment and the limited difference between the doses applies allowed no conclusion regarding a possible dose-dependent transfer. Several risk assessment parameters were derived, including transfer rates ranging from 1.05 % for angustifoline to 2.92 % for isolupanine and α-half-lives ranging from 0.26 d lupanine to 0.28 d hydroxylupanine. However, the very low concentrations covered by the β-half-lives are not expected to be relevant for risk assessment. In summary, in the scope of this work, several PBTK models were successfully developed that describe and quantify the transfer of various contaminants to dairy cows, calves and fattening pigs. To make these models accessible to risk assessors, they will be implemented in the web tool BfR ConTrans.