Recent studies show that angiotensin II can act within the cell, possibly via intracellular receptors pharmacologically different from typical plasma membrane angiotensin II receptors. The signal transduction of intracellular angiotensin II is unclear. Therefore, we investigated the effects of intracellular angiotensin II in cells devoid of physiological responses to extracellular angiotensin II (A7r5 vascular smooth muscle cells). Intracellular delivery of angiotensin II was obtained by using liposomes or cell permeabilisation. Intracellular angiotensin II stimulated Ca2+ influx, as measured by 45Ca2+ uptake and single-cell fluorimetry. This effect was insensitive to extracellular or intracellular addition of losartan (angiotensin AT1 receptor antagonist) or PD123319 ((s)-1-(4-[dimethylamino]-3-methylphenyl)methyl-5-(diphenylacetyl)-4,5,6,7- tetrahydro-1H-imidazo[4,5-c]pyridine-6-carboxylate) (angiotensin AT2 receptor antagonist). Intracellular angiotensin II stimulated inositol-1,4,5-trisphosphate (Ins(1,4,5,)P3) production and increased the size of the Ins(1,4,5,)P3 releasable 45Ca2+ pool in permeabilised cells, independent of losartan and PD123319. Small G-proteins did not participate in this process, as assessed by using GDPβS. Intracellular delivery of angiotensin I was unable to elicit any of the effects elicited by intracellular angiotensin II. We conclude from our intracellular angiotensin application experiments that angiotensin II modulates Ca2+ homeostasis even in the absence of extracellular actions. Pharmacological properties suggest the involvement of putative angiotensin non-AT1-/non-AT2 receptors.

A central concept in the physiology of neurosecretion is that a rise in cytosolic [Ca2+] in the vicinity of plasmalemmal Ca2+ channels due to Ca2+ influx, elicits exocytosis. This dissertation examines the effect on both spontaneous and elicited exocytosis of a rise in focal cytosolic [Ca2+] in the vicinity of ryanodine receptors (RYRs) due to release from internal stores in the form of Ca2+ syntillas. Ca2+ syntillas are focal cytosolic transients mediated by RYRs, which we first found in hypothalamic magnocellular neuronal terminals. (Scintilla, Latin for spark, found in nerve terminals, normally synaptic structures.) We have also observed Ca2+ syntillas in mouse adrenal chromaffin cells (ACCs). Here the effect of Ca2+syntillas on exocytosis is examined in ACCs, which are widely used as model cells for the study of neurosecretion. Elicited exocytosis employs two sources of Ca2+, one due to influx from the cell exterior through voltage-gated Ca2+ channels (VGCCs) and another due to release from intracellular stores. To eliminate complications arising from Ca2+ influx, the first part of this dissertation examines spontaneous exocytosis where influx is not activated. We report that decreasing syntillas leads to an increase in spontaneous exocytosis measured amperometrically. Two independent lines of experimentation each lead to this conclusion. In one case release from stores was blocked by ryanodine; in another, stores were partially emptied using thapsigargin plus caffeine after which syntillas were decreased. We conclude that Ca2+syntillas act to inhibit spontaneous exocytosis, and we propose a simple model to account quantitatively for this action of syntillas. The second part of this dissertation examines the role of syntillas in elicited exocytosis whereby Ca2+ influx is activated by physiologically relevant levels of stimulation. Catecholamine and neuropeptide release from ACCs into the circulation is controlled by the sympathetic division of the Autonomic Nervous System. To ensure proper homeostasis tightly controlled exocytic mechanisms must exist both in resting conditions, where minimal output is desirable and under stress, where maximal, but not total release is necessary. It is thought that sympathetic discharge accomplishes this task by regulating the frequency of Ca2+ influx through VGCCs, which serves as a direct trigger for exocytosis. But our studies on spontaneous release in ACCs revealed the presence of Ca2+ syntillas, which had the opposite effect of inhibiting release. Therefore, assuming Ca2+-induced Ca2+ release (CICR) via RYRs due to Ca2+ influx through VGCCs, we are confronted with a contradiction. Sympathetic discharge should increase syntilla frequency and that in turn should decreaseexocytosis, a paradox. A simple “explanation” might be that the increase in syntillas would act as a brake to prevent an overly great exocytic release. But upon investigation of this question a different finding emerged. We examined the role of syntillas under varying levels of physiologic stimulation in ACCs using simulated action potentials (sAPs) designed to mimic native input at frequencies associated with stress, 15 Hz, and the basal sympathetic tone, 0.5 Hz. Surprisingly, we found that sAPs delivered at 15 Hz or 0.5 Hz were able to completely abolish Ca2+ syntillas within a time frame of two minutes. This was not expected. Further, a single sAP is all that was necessary to initiate suppression of syntillas. Syntillas remained inhibited after 0.5 Hz stimulation but were only temporarily suppressed (for 2 minutes) by 15 Hz stimulation, where global [Ca2+]i was raised to 1 – 2 μM. Thus we propose that CICR, if present in these cells, is overridden by other processes. Hence it appears that inhibition of syntillas by action potentials in ACCs is due to a new process which is the opposite of CICR. This process needs to be investigated, and that will be one of the very next steps in the future. Finally we conclude that syntilla suppression by action potentials is part of the mechanism for elicited exocytosis, resolving the paradox. In the last chapter speculation is discussed into the mechanisms by which physiologic input in the form of an action potential can inhibit Ca2+ syntillas and furthermore, how the Ca2+ syntilla can inhibit exocytic output.

Les leucémies sont une famille de cancers issus de la prolifération maligne des cellules hématopoïétiques. La leucémie myéloïde aigüe (AML) représente 30% des leucémies chez les adultes et menace surtout les personnes âgées de 64 ans et plus. Actuellement, la chimiothérapie est la méthode principale de prise en charge de l’AML, mais celle-ci comporte des effets secondaires importants ainsi qu’un risque de récidive qui freinent son développement. Le redéploiement de molécules déjà utilisées pour d’autres maladies est une stratégie émergente dans le traitement du cancer. Par exemple, la chlorpromazine (CPZ), un antipsychotique, démontre une activité contre les lignées cellulaires issues d’AML, mais son activité au niveau du système nerveux central entraine des effets indésirables. Compte tenu de l’activité de CPZ contre les cellules leucémiques, nous avons mis au point un système de vectorisation des médicaments original pour le traitement de l’AML. La CPZ est d’abord incluse dans une cyclodextrine (CD) : molécule cage à base de glucose et ce complexe est ensuite encapsulé dans un liposome : vésicules à contenu aqueux délimitées par une ou plusieurs bicouches phospholipidiques. Ce système de “drug-in-CD-in-liposomes” (DCL) est conçu pour circuler longtemps dans le sang après injection intraveineuse mais ne pas passer la barrière hémato-encéphalique (BHE).Il a été nécessaire d’optimiser la formulation avec ses trois composants principaux : CD, CPZ et phospholipides. Ainsi, une évaluation physico-chimique approfondie a été réalisée pour les interactions CD/CPZ, CD/phospholipides et CPZ/phospholipides. La calorimétrie de titration isotherme (ITC) a permis de déterminer la stœchiométrie et la constante d’association pour les complexes d’inclusion CD/CPZ, démontrant les associations les plus importantes avec la Sugammadex ou la SBE-β-CD. La spectroscopie RMN 2D ROESY a mis en évidence des géométries d’inclusion différentes selon la taille et le type de substitution des CDs. Par ailleurs, l’inclusion de la CPZ dans les CDs accélère légèrement la photodégradation de l’antipsychotique. Quant à l’interaction CD/phospholipides, la SBE-Et-β-CD déstabilise les liposomes multilamellaires (MLVs) composés de palmitoylstearoylphosphatidylcholine (PSPC) pour des concentrations supérieures à 25 mM, tandis que les autres CDs sont sans effet. En outre, des études de turbidité ont démontré que les liposomes unilamellaires (SUV) ne sont pas perturbés en présence de la plupart des CDs. Une étude de l’interaction entre CPZ et PSPC a démontré que la quantité maximale qu’il est possible d’encapsuler était égale à 3,75 mol%. Par la suite, des DCL contenant CPZ ont été préparés par la méthode « dehydration-rehydration vesicles » (DRV) mais le pourcentage du principe actif encapsulé (EE) s’avérait faible (environ 10%). Ainsi la méthode DRV combinée à l’utilisation d’un gradient de concentration de sulfate d’ammonium a été mise en œuvre, ce qui a permis d’augmenter l’EE à 27% tout en gardant une taille compatible avec l’administration IV. Par la suite, la cytotoxicité de ces formulations a été évaluée sur 4 lignées cellulaires humaines issues d’AML (HL-60, MOLM13, MV4-11 and OCI-AML). Les liposomes contenant la CPZ ont tous démontré un effet cytotoxique tandis que les liposomes vides avaient tendance à stimuler la croissance cellulaire et les CD seules étaient sans effet. Pourtant, l’activité des DRVs avec CD était inférieure à celle des DRV/CPZ, selon l’ordre suivant : DRV-SGM/CPZ < DRV-SBE-β-CD/CPZ < DRV-HP-γ-CD/CPZ. L’activité était inversement proportionnelle à la constante d’affinité, suggérant une libération retardée. Cette hypothèse a été confortée par le fait que l’activité des DRV CD/CPZ était plus importante après une exposition de 72h qu’après 24h.Ces résultats sont prometteurs pour la mise au point de systèmes à libération contrôlée de CPZ pour le traitement d’AML. / Leukemia is a group of cancers caused by malignant clonal proliferation of hematopoietic stem cells. Accounting for 30% of all leukemias in adults, acute myeloid leukemia (AML) is especially a threat for older people with a median age of 64 years. Presently, chemotherapy is the main therapeutic method for AML but severe side-effects and possibility of relapse have hampered its development. “Repurposing” of drugs used in other diseases is a current trend for the treatment of cancer. For example, chlorpromazine (CPZ), a widely used anti-psychotic drug, shows effective activity in AML cell lines, but can also cause side effects in the central nervous system.Basing on the inhibiting capability of CPZ against leukemia-related cell lines, we have designed and developed a novel nanometric drug delivery system for AML treatment. CPZ is first entrapped in the hydrophobic internal cavity and forms inclusion complexes with cyclodextrin (CD), a cask-like molecule composed of glucose units, then the CD/CPZ inclusion complexes are encapsulated in liposomes, phospholipid vesicles consisting of a series of lipid bilayers enclosing aqueous compartments. The “drug-in-CD-in-liposomes” (DCL) system provides a promising strategy which is capable of achieving long circulation time in the blood after intravenous administration while circumventing the blood-brain barrier (BBB). It was necessary to optimize the formulation for its three main components: CD, CPZ and phospholipid. Therefore, a comprehensive physicochemical investigation of the interaction between CD/CPZ, CD/lipid and CPZ/lipid was performed. Isothermal titration calorimetry (ITC) was used to obtain the stoichiometry and association constant of the CPZ-CD inclusion complexes, showing that sugammadex and SBE-β-CD has the highest complexation ratio. 2D ROESY NMR revealed different inclusion processes depending on the size and chemical modification of CDs. Photodegradation experiments indicated that CDs can slightly accelerate CPZ's photodegradation. As far as liposome stability was concerned, SBE-Et-β-CD was found to have an obvious interaction with palmitoyl stearoyl phosphatidylcholine (PSPC) multilamellar liposomes (MLVs) above 25 mM, while the other CDs were without effect. However, turbidity measurements indicated that small unilamellar liposomes (SUVs) remain intact in presence of CDs. A study of the interaction between CPZ and PSPC showed that the maximum proportion of CPZ that could be incorporated into the lipid membrane was 3.75 mol%. Subsequently, DCL systems containing CPZ was prepared by the dehydration-rehydration vesicles (DRV) method. However, low drug encapsulation efficiency (EE) was obtained (about 10% of added drug). Therefore, an active loading strategy, the ammonium sulphate gradient method, was used in combination with the DRV method. As a result, the EE of CPZ increased to about 27% and yielded liposomal formulations with suitable size for IV administration.Finally, the cytotoxicity of CPZ, CDs, empty liposomes and liposomes containing CD/CPZ complexes was evaluated against a panel of leukemia cell lines. CPZ was found to show a growth-inhibiting effect on the human leukemia cell lines (HL-60, MOLM13, MV4-11 and OCI-AML), while empty liposomes were observed to slightly promote their growth and CDs alone had no significant cytotoxicity. However, a difference in activity was observed with the DRV containing CD/CPZ complexes, which were less active than DRV containing free CPZ, with the order: DRV-SGM/CPZ < DRV-SBE-β-CD/CPZ < DRV-HP-γ-CD/CPZ. The activity was inversely proportional to the formation constant of CD/CPZ complexes obtained by ITC, suggesting a delayed release from the complexes. This was confirmed by varying the exposure time; the activity of DRV CD/CPZ being relatively higher in a longer incubation.These results suggest that the DCL system could provide controlled release of CPZ for the treatment of AML.

Paroled offenders and ex-offenders' retention and completion for 3 small-sized prisoner- release intervention programs in Columbus, Ohio, continue to decline. Prisoner-release intervention programs aid paroled offenders and ex-offenders with societal reentry. Influenced by the conceptual framework of the social control theory, this exploratory multiple case study was designed to contribute to the common understanding of the paroled offenders and ex-offenders' retention and completion in the small-sized prisoner release intervention programs. The 18 participants included stakeholders from the criminal justice system, prisoner-release intervention programs, community advocacy organizations, and drug and alcohol rehabilitation centers. Analysis of data collected from interviews and telephone calls resulted in the emergence of codes, themes, and categories. The findings from this study could be used by the programs to establish a proactive presence in the prison systems before inmate release for early intervention. Further, the small-sized prisoner-release intervention programs could use the findings to develop new initiatives, and scholars could use the findings to better understand the social conditions affecting small-sized prisoner-release intervention programs.

L'amylose est un homopolymère quasi-linéaire d'unités glucosyles liées en α(1,4) qui, extrait de l'amidon natif, possède la propriété remarquable de former des complexes cristallins avec une grande variété de petites molécules organiques. Ces complexes sont regroupés sous le terme générique d'amylose V. Nous avons testé la capacité de 120 composés à induire la cristallisation de l'amylose à partir de solutions aqueuses diluées. La morphologie et la structure des cristaux lamellaires formés ont été caractérisés par microscopie électronique en transmission ainsi que par diffraction des électrons et des rayons X. Les données révèlent que les structures de ces complexes peuvent être classées en 10 familles dont 5 sont décrites pour la première fois. Des spectres de résonnance magnétique nucléaire du solide du 13C montrent clairement que l'hélicité de l'amylose V est corrélée à la résonnance du carbone C1 qui se déplace vers les champs faibles lorsque le nombre d'unités glucosyles par tour augmente. Des modèles géométriques préliminaires ont été proposés pour tous les allomorphes, la structure de cristaux de V1-butanol ayant été analysée en détail en combinant des calculs de conformation et d'énergie d'empilement avec un affinement de structure de polymère cristallin classique. Tous les allomorphes contiennent des simples hélices d'amylose d'ordre 6, 7 ou 8 et les molécules invitées peuvent être localisées dans ces hélices, entre elles ou les deux. Chaque type d'allomorphe peut être obtenu avec différents complexants et la conformation de l'hélice d'amylose dépend de la taille du complexant. De plus, un ligand donné est susceptible d'induire la formation de plusieurs allomorphes. Le polymorphisme cristallin de l'amylose serait donc une caractéristique plus générale que ce qui avait été rapporté auparavant. La propension au polymorphisme dépend non seulement de la nature du complexant mais aussi des conditions de cristallisation. Le degré de polymérisation de l'amylose, sa concentration et celle du complexant, la température de mélange ou de cristallisation et la composition du solvant ont un impact significatif sur la formation de cristaux et la structure de l'amylose V. Par ailleurs, nous avons utilisé des complexes avec l'ibuprofène comme modèle afin d'évaluer le potentiel de l'amylose V comme système de délivrance de principes actifs. Différentes fractions d'ibuprofène, probablement corrélées aux positions possibles de la molécule dans le cristal, sont sélectivement relarguées en variant le pH du milieu de dissolution. Puisque le relargage intervient principalement à pH élevé, ces complexes d'inclusion sont donc potentiellement intéressants pour cibler une libération intestinale et pourraient donc améliorer l'effet thérapeutiques de l'ibuprofène. / Amylose, a mostly linear homopolymer of α(1,4)-linked glucosyl units extracted from native starch, has the remarkable property to form "V-amylose" crystalline complexes with a variety of small organic molecules. We have tested the ability of 120 compounds to induce the crystallization of amylose from dilute aqueous solutions. The morphology and structure of the resulting lamellar crystals were characterized by transmission electron microscopy as well as electron and X ray diffraction. The data revealed that the structures of the complexes could be classified into 10 families, 5 of which were described for the first time. In addition, 13C solid-state nuclear magnetic resonance spectra clearly showed that the helicity of V-amylose was correlated with the resonance of carbon C1 that was shifted downfield with increasing number of glucosyl units per turn. Tentative geometrical models were proposed for all allomorphs and the structure of V1-butanol was analyzed in more details by combining conformational and packing energy calculations with classical crystalline polymer structure refinement. All allomorphs contained 6-, 7- or 8-fold amylose single helices and the guest molecules could be located inside these helices, in-between, or both. Each allomorph could be obtained with different complexing agents and the helical conformation was found to depend on the size of the complexing agent. In addition, a given ligand could induce the formation of several allomorphs, suggesting that the polymorphism of V-amylose crystals is a more general characteristic than what was previously reported. The propensity for polymorphism is not only related to the nature of the complexing agent but also to the crystallization conditions. The degree of polymerization of amylose, its concentration and that of the complexing agent, the temperature of mixing and crystallization, and the solvent composition have a significant impact on the formation and crystal structure of V-amylose. In addition, crystalline complexes prepared with ibuprofen were used as a model to evaluate the potential of V-amylose as a delivery system of bioactive molecules. Different fractions of ibuprofen, likely correlated with the different locations of the guest in the crystal, were selectively released by varying the pH of the dissolution medium. Since the release mainly occurred at high pH, these inclusion complexes appear to be potentially interesting for intestinal targeting and would thus improve the therapeutic effect of ibuprofen.

Ce travail concerne l’élaboration, l’étude de la microstructure semicristalline et les propriétés de films de chitosane, envisagés pour le relargage de principes actifs. La microstructure semicristalline des films de chitosane influence fortement leurs propriétés physicochimiques et fonctionnelles. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude systématique par diffraction de rayons X en faisant varier différents paramètres structuraux de chitosane statistiques (DA) et les paramètres d’élaboration des films (l’état de neutralisation, la nature du contre-ion et le pourcentage d’eau dans les films avant neutralisation, et la situation de l’étape de neutralisation dans le procédé). Nous avons obtenus différentes microstructures semicristallines en terme d’allomorphes hydratés ou anhydres, en jouant sur les conditions plus ou moins hydrophobes au moment de la neutralisation. Par ailleurs, une étude de la mobilité moléculaire par spectroscopies diélectrique et mécanique a permis de mettre en évidence différentes relaxations secondaires, toujours en fonctions des paramètres physicochimiques qui conditionnent la balance des interactions hydrophiles/hydrophobes. De plus, la Spectroscopie mécanique a montré une transition réversible de comportement hydrophile / hydrophobe dépendant du traitement thermique appliqué. Cette étude nous a montré que le degré d’acétylation n’influence pas directement la mobilité moléculaire dans les films de chitosane, mais c’est encore la balance des interactions hydrophiles / hydrophobes qui gouverne la réponse viscoélastique et diélectrique. Finalement, nous avons réalisé une étude du gonflement de films de chitosane en relation avec les paramètres de mise en oeuvre. Les résultats sont reliés à la microstructure semicristalline. Le relargage de protéines a été abordé par l’étude d’une protéine modèle (Ovalbumine). La technique de dichroïsme circulaire a permis d’étudier les interactions ovalbumine/chitosane à l’état solide (dans le film) comme à l’état solution (après relargage). Les cinétiques de relargage ont été déterminées et discutées en fonction du gonflement et de la morphologie cristalline / This work concerns the elaboration, semicrystalline microstructure and properties study of chitosan films for application of release of active principle. The semicrystalline microstructure of chitosan films strongly influences their physicochemical and functional properties, so their control becomes very important for the aimed application. In this context, we have performed a systematic study by X-ray diffraction on chitosan films varying different parameters that influence their semicrystalline microstructure, particularly, the degree of acetylation, the elaboration routes, the neutralization state, the counter-ion nature and the water content before neutralization. We have achieved to control the semicrystalline microstructure by the combination of these parameters. Furthermore, the study of the molecular mobility behaviour was carried out showing the different relaxation processes present in the chitosan films. A viscoelastic study by mechanical spectroscopy showed hydrophilic/hydrophobic transitions as a function of he thermal treatment. This study showed that the degree of acetylation does not have a strong influence on the molecular mobility in the chitosane films. Finally, we have conducted a study of swelling of chitosan film in relation to the semicrystalline microstructure. Then, a model protein (Ovalbumin) has been incorporated to study its interaction with chitosan in the solid state (in the film) and in solution (after release) and in order to evaluate its release

Dans les tumeurs solides, l'hypoxie est un mécanisme de résistance à la radiothérapie bien connu. Il a déjà été démontré que, lorsque les microbulles (MB) sont exposées à une impulsion ultrasonore (US), celles-ci peuvent induire une vasodilatation dans les tissus musculaires. De plus, une impulsion thérapeutique peut être délivrée localement dans la tumeur en dirigeant le faisceau US. Cette approche est donc proposée comme thérapie provasculaire ciblée, guidée par l’imagerie ultrasonore dans les tumeurs afin de réduire l'hypoxie avant la radiothérapie. Le contrôle de la vasodilatation est induit par la production d'oxyde nitrique (NO) par la voie de signalisation cellulaire du eNOS dans les cellules endothéliales. Il a été démontré que l'augmentation de l'ATP extracellulaire active la voie de signalisation du eNOS. Il a aussi été démontré que l’oscillation des MB sous l’effet des US libèrent de l'ATP lorsque le tissu musculaire est traité. Cependant, les effets des différentes conditions ultrasonores et de MB sur la libération d'ATP n'ont pas encore été étudiés. Nous émettons donc l'hypothèse qu'il existe des conditions permettant de maximiser l’activation des voies de signalisation purinergiques (ATP) et d'optimiser leur durée d’activation pour une réponse provasculaire optimale. Les motivations de ce projet sont de tester divers paramètres et d'étudier les interactions MB/cellules dans des conditions d'écoulement, qui sont généralement difficile à mettre en place lorsqu'on utilise des boîtes de Pétri. Pour quantifier plus facilement les voies de signalisation, nous avons créé des puces microfluidiques avec quatre canaux parallèles dans lesquels des cellules ont pu être cultivées. Avec quatre canaux traités lors d’une même impulsion ultrasonore, nous avons aussi augmenté le nombre de données à traiter et nous pouvons observer les effets de plusieurs impulsions lorsque les MB étaient dans un écoulement. En outre, la puce que nous avons développé est capable de donner une concentration en MB différente dans chaque canal afin de pouvoir tester quatre concentrations de MB différente dans des conditions d’écoulement. Les objectifs de ce projet de maîtrise sont donc les suivants : (1) concevoir la puce microfluidique ; (2) être capable de cultiver des cellules dans les canaux microfluidiques ; (3) créer des protocoles pour mesurer la libération d'ATP et la viabilité cellulaire après une impulsion ultrasonore ; (4) observer la capacité de la puce à donner différentes concentrations de MB dans chaque canaux en conditions d’écoulement. Lors de la conception de la puce microfluidique, nous avons créé un environnement dans lequel les quatre canaux de la puce ont des concentrations différentes de microbulles fluides. Ainsi, nous avons atteint les objectifs du projet. Nous avons réussi à introduire dans le canal microfluidique des cellules endothéliales de cordon ombilical humain (HUVEC) et une lignée cellulaire de cancer du sein (4T1). Les monocouches cellulaires créées par chacune des deux lignées cellulaires ont été traitées avec succès par une impulsion thérapeutique ultrasonore lors de l’injection de MB. Nos résultats montrent qu'une augmentation du nombre de cycles et de la pression, libère plus d'ATP et induisent une mortalité cellulaire plus importante. En outre, nous avons établi un lien entre la libération d'ATP et la mortalité cellulaire en comparant différentes impulsions thérapeutiques ultrasonore. Cette analyse a permis de dégager deux tendances. Avec des impulsions à faible énergie, la libération d'ATP est augmenté et on constate une très faible augmentation de la mort cellulaire ; inversement, avec des impulsions à plus forte énergie, la libération d'ATP et la mortalité cellulaire ont augmentés et on atteint un plateau. Ainsi, nos résultats confirment que différents mécanismes de libération d'ATP peuvent être déclenchés par les thérapies MB et US. / In solid tumors, hypoxia is a well-known resistance mechanism to radiation therapy. It was previously shown that microbubbles (MBs), when exposed to an ultrasound pulse (US) can cause vasodilation in muscle tissue. Conceptually, the therapeutic pulse can be localized on the tumor by steering the US beam. This approach is therefore proposed as a targeted image-guided provascular therapy in tumors to reduce hypoxia before radiotherapy. However, the effects of US and MB conditions on the relative increase in tumor perfusion remain largely unknown. Vascular control is managed by the production of nitric oxide (NO) through the eNOS pathway inside the endothelial cells. Increases in extracellular ATP have been shown to be a signaling event for the activation of this pathway. Fittingly, MB and US have been shown to release ATP when muscle tissue was treated. However, the effects of therapeutic US and MB parameters on the treatment have not yet been described. We, therefore, hypothesize that there are conditions that will maximize the purinergic signaling pathways (ATP) and optimize their time course for an optimal provascular response. The motivation for this project came from the desire to test various parameters and study MB/cell interactions in flowing conditions, which are typically limited when using petri dish setups. To quantify more easily the signaling pathways, we created microfluidic chips with four parallel cell coated channels. This chip allowed us to increase the throughput when using a single US exposure in static conditions and with the ability to support multiple US exposures with MB replenishment in flowing conditions. Also, the custom-made chip multiplexes the bubble concentration to obtain four channels with different flowing microbubble concentrations. The goals of this master’s project were thus: (1) to design the microfluidic chip; (2) to demonstrate the capacity for cell culture; (3) create protocols for measuring ATP and cell viability after therapeutic pulses; (4) to demonstrate repeatable flowing conditions with the multiplexed MB concentration. On the design of the microfluidic chip, we were successful at creating an environment where four of the four channels in the chip have different concentrations of flowing microbubbles. Thus, fulfilling the project's goals. We have succeeded in seeding both Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) and a breast cancer cell line (4T1) into the microfluidic channel. The cell monolayers created by both cell lines were successfully treated with an US and MB therapeutic pulse. Our results support that an increase in both, cycles and pressure, release more ATP and cause more cell death. Further, we linked ATP release to cell death by comparing different therapeutic pulses. From this analysis, two trends appeared. With lower energy pulses, ATP release increased sharply with a very small increase in cell death; conversely, with higher energy pulses, ATP release continued to increase with cell death but reached a plateau. Thus, our results support that different mechanisms of ATP release can likely be triggered by MB and US therapy.

Cross-ply composite laminates can develop very high density of transverse cracks in the 90-layer under severe thermal and mechanical loading conditions. At such high crack densities, two adjacent cracks start to interact, and a stress gradient is created in the region between these cracks. Due to the presence of high stress gradients, thickness averaging of longitudinal stress becomes obsolete. Thus, a detailed analysis of stress state along the thickness direction becomes necessary to study growth conditions of fiber sized microcracks initiated at the interface between 0-layer and 90-layer. Stress analysis at various crack densities is carried out in this project using finite element analysis or FEM as the main tool. This analysis is coupled with strain energy release rate (ERR) studies for a microcrack which grows in transverse direction from one interface to the other. The growth of this microcrack is found to be strongly influenced by the stress gradients and a presence of compressive stresses along midplane under tensile loading conditions at high crack densities.

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Die Uferfiltration und die unterirdische Enteisenung / Entmanganung (UEE) sind bewährte Verfahren für die natürliche, unterirdische Voraufbereitung von Wasser. In Abhängigkeit von der Wasserbeschaffenheit und den geochemischen Eigenschaften des Grundwasserleiters können Redoxreaktionen, Sorptions- und Auflösungsprozesse oder eine ungünstige Bewirtschaftung der Brunnen bei beiden Verfahren zu erhöhten Mangankonzentrationen im Rohwasser führen. Erhöhte Mangankonzentrationen sind häufig für Verockerungsprozesse im Filterbereich der Brunnen und Ablagerungen in Pumpen und Steigleitungen verantwortlich. Diese beeinträchtigen den langfristigen Brunnenbetrieb und führen zu höheren Kosten der Wasseraufbereitung. Außerdem führt Mangan zur Färbung des Wassers und muss in der Trinkwasseraufbereitung auf < 0,05 mg/L verringert werden. Für Wasserwerksbetreiber ist die Kenntnis über die Ursache und das Verhalten von Mangan essentiell für einen optimalen Betrieb. Die ägyptische Hauptstadt Kairo steht einem stark wachsenden Wasserbedarf gegenüber. Für die Bewertung einer möglichen Anwendung der Uferfiltration am Nil wurden vorhandene Versuchsbrunnen teufenabhängig beprobt und das Flusssohlsediment untersucht. Das Flusssohlsediment wies hohe Eisen- und Mangangehalte auf und wurde als Ursache für erhöhte Eisen-, Mangan- und Ammoniumkonzentrationen im Uferfiltrat identifiziert. Für den Uferfiltrationsstandort Dresden-Tolkewitz wurde der Einfluss von Temperatur und Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle untersucht. Betriebsdaten der Jahre 2006 bis 2016 und Säulenversuche bildeten die Grundlage. Die Manganfreisetzung wurde primär von der Temperatur kontrolliert, die Infiltrationsrate war weniger wichtig und verlor mit steigender Temperatur weiter an Bedeutung. Eine Manganfreisetzung wurde bei Wassertemperaturen von 20 °C und Infiltrationsraten von ≥ 0,3 m³/(m²×d) ausgelöst. Während der Inbetriebnahme eines UEE-Wasserwerks in Khabarovsk (Russland) wurde an einigen Brunnen eine intensive Manganfreisetzung beobachtet. Außerdem führte biologische Kolmation zu einem raschen Leistungsverlust und erforderte die Desinfektion der Brunnen. Die Auswertung der ersten 194 UEE-Zyklen eines Förderbrunnens und ergänzende Batchversuche ergaben, dass die Auflösung des im Grundwasserleiter vorhandenen, manganhaltigen Siderits die Ursache der Mn-Freisetzung war. Die Auflösungsprozesse hingen stark von der Korngröße des GWL-Materials und dem pH-Wert des Grundwassers ab. Die Filterkiesschüttung des Brunnens zehrte weniger als 1 % des infiltrierten Chlors und das Natriumhypochlorit drang ca. 2 bis 3,5 m in den Grundwasserleiter ein. Das Wasserwerk Eggersdorf nutzt die UEE für die Voraufbereitung von eisenhaltigem Grundwasser und dient, entgegen den Empfehlungen für die UEE, der Abdeckung von Bedarfsspitzen. In einem Feldversuch wurde die mögliche Umnutzung der UEE-Brunnen für die dauerhafte Grundwasserförderung getestet. Die dabei aufgetretene Manganfreisetzung wurde auf die chemische Reduktion von abgeschiedenen Mangan(hydr)oxiden durch eisenhaltiges Grundwasser zurückgeführt.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189 / Bank filtration and Subsurface Iron Removal (SIR) are proven technologies for the natural subsurface pre-treatment of water. Depending on the water quality and the geochemical properties of the aquifer, redox reactions, sorption and dissolution or unfavorable well management can lead to increased manganese concentrations in both treatment options. Increased manganese concentrations often cause filter screen clogging of the well or deposits in pumps and standpipes. This can affect the long-term well operation and lead to higher costs of water treatment. Furthermore, increased manganese concentrations can cause a coloring of the water and must be lowered to < 0.05 mg/l during drinking water treatment. For waterworks operators, the knowledge about the source and the behavior of manganese is essential for an optimal operation. The Egyptian capital Cairo faces a growing water demand. To evaluate a potential riverbank filtration site, depth-dependent sampling at existing test wells was carried out and sediment samples from the Nile riverbed were taken. The riverbed sediment showed elevated iron and manganese contents and was identified as cause of increased iron, manganese and ammonium concentrations in the riverbank filtrate. For the bank filtration site Dresden-Tolkewitz, the impact of temperature and infiltration rate on the manganese release from the riverbed sediment of the Elbe river was investigated. The investigations were based on monitoring data of the years 2006 to 2016 and column experiments. The manganese release was primarily controlled by temperature, the infiltration rate was less important. With increasing temperature, the infiltration rate became even less critical. Manganese was released at water temperatures of 20 °C and infiltration rates of ≥ 0.3 m³/(m²×d). During the start-up phase of a SIR waterworks in Khabarovsk, Russia, an intense manganese release was observed in several wells. In addition, biological clogging led to a rapid perfor-mance loss of the wells and required well disinfection. The evaluation of the first 194 SIR cycles of a production well and accompanying batch experiments indicated that the dissolution of the manganese-bearing siderite, which was present in the aquifer, caused the Mn release. The dissolution heavily depended on the grain size of the aquifer material and the pH of the groundwater. The filter gravel pack of the well consumed less than 1 % of the infiltrated chlorine and the sodium hypochlorite approximately penetrated between 2 and 3.5 m into the aquifer. The waterworks Eggersdorf has been using SIR for the pre-treatment of ferrous groundwater and, contrary to general recommendations for SIR well operation, served for covering peaks in water demand. In a field trial, the possible conversion of the SIR wells for permanent groundwater extraction was tested. An observed manganese release was attributed to the chemical reduction of former precipitated Mn(hydr)oxides by iron-containing groundwater.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189