Frankfurt (Main), University, Diss., 2008.

University, Diss., 2004--Potsdam.

Univ., Diss., 2008--Frankfurt (Main).

München, Techn. Univ., Diss., 2000.

Because of its complexity and intricacy, studying the nervous system is often challenging. Fortunately, the small nematode roundworm Caenorhabditis elegans is well established as a model system for basic neurobiological research. The C. elegans model is also the only organism with a supposedly complete connectome, an organism-wide map of synaptic connectivity resolved by electron microscopy, which provides some understanding of how the nervous system works as a whole. However, the number of available data-sets is small and the connectome contains errors and gaps. One example of this concerns electrical synapses. Electrical synapses are formed by gap junctions and difficult to map due to their often ambiguous morphology in electron micrographs, leading to misclassification or omission. On the other hand, chemical synapses are more easily mapped, but many aspects of their mode of operation remain elusive and their role in the C. elegans connectome is oversimplified. A comprehensive understanding of signal transduction of neurons between each other and other cells will be indispensable for a comprehensive understanding of the nervous system. In this thesis, I approach these challenges with a combination of advanced light and electron microscopy techniques. First, this thesis describes a strategy to increase synaptic specificity in connectomics. Specifically, I classify gap junctions with a high degree of confidence. To achieve this, I utilized array tomography (AT). In this thesis, AT is adapted for high-pressure freezing to optimize for structure preservation and for super-resolution light microscopy; in this manner, I aim to bridge the gap between light and electron microscopy resolutions. I call this adaptation super-resolution array tomography (srAT). The srAT approach made it possible to clearly identify and map gap junctions with high precision and accuracy. The results from this study showcased the feasibility of incorporating electrical synapses into connectomes in a systematic manner, and subsequent studies have used srAT for other models and questions. As mentioned above, the C. elegans connectomic model suffers from a shortage of datasets. For most larval stages, including the special dauer larval stage, connectome data is completely missing up to now. To obtain the first partial connectome data-set of the C. elegans dauer larva, we used focused ion-beam scanning electron microscopy (FIB-SEM). This technique offers an excellent axial resolution and is useful for acquiring large volumes for connectomics. Together with our collaborators, I acquired several data-sets which enable the analysis of dauer stage-specific “re-wiring” of the nervous system and thus offer valuable insights into connectome plasticity/variability. While chemical synapses are easy to map relative to electrical synapses, signal transduction via chemical transmitters requires a large number of different proteins and molecular processes acting in conjunction in a highly constricted space. Because of the small spatial scale of the synapse, investigating protein function requires very high resolution, which electron tomography provides. I analyzed electron tomograms of a worm-line with a mutant synaptic protein, the serine/threonine kinase SAD-1, and found remarkable alterations in several architectural features. My results confirm and re-contextualize previous findings and provide new insight into the functions of this protein at the chemical synapse. Finally, I investigated the effectiveness of our methods on “malfunctioning,” synapses, using an amyotrophic lateral sclerosis (ALS) model. In the putative synaptopathy ALS, the mechanisms of motor neuron death are mostly unknown. However, mutations in the gene FUS (Fused in Sarcoma) are one known cause of the disease. The expression of the mutated human FUS in C. elegans was recently shown to produce an ALS-like phenotype in the worms, rendering C. elegans an attractive disease model for ALS. Together with our collaboration partners, I applied both srAT and electron tomography methods to “ALS worms” and found effects on vesicle docking. These findings help to explain electrophysiological recordings that revealed a decrease in frequency of mini excitatory synaptic currents, but not amplitudes, in ALS worms compared to controls. In addition, synaptic endosomes appeared larger and contained electron-dense filaments in our tomograms. These results substantiate the idea that mutated FUS impairs vesicle docking and also offer new insights into further molecular mechanisms of disease development in FUS-dependent ALS. Furthermore, we demonstrated the broader applicability of our methods by successfully using them on cultured mouse motor neurons. Overall, using the C. elegans model and a combination of light and electron microscopy methods, this thesis helps to elucidate the structure and function of neuronal synapses, towards the aim of obtaining a comprehensive model of the nervous system. / Das Nervensystem ist ein definierendes Merkmal aller Tiere, unter anderem verantwortlich für Sinneswahrnehmung, Bewegung und „höhere“ Hirnfunktionen. Wegen dessen Komplexität und Feingliedrigkeit stellt das Erforschen des Nervensystems oft eine Herausforderung dar. Jedoch ist der kleine Fadenwurm Caenorhabditis elegans als Modellsystem für neurobiologische Grundlagenforschung gut etabliert. Erbesitzt eines der kleinsten und unveränderlichsten bekannten Nervensysteme. C.elegans ist auch das einzige Modell, für das ein annähernd vollständiges Konnektom vorliegt, eine durch Elektronenmikroskopie erstellte Karte der synaptischen Verbindungen eines gesamten Organismus, die Einblicke in die Funktionsweise des Nervensystems als Ganzes erlaubt. Allerdings ist die Anzahl der verfügbaren Datensätze gering und das Konnektom enthält Fehler und Lücken. Davon sind beispielsweise elektrische Synapsen betroffen. Elektrische Synapsen werden von Gap Junctions gebildet und sind auf Grund ihrer oft uneindeutigen Morphologie in elektronenmikroskopischen Aufnahmen schwierig zu kartieren, was dazu führt, dass einige falsch klassifiziert oder übersehen werden. Chemische Synapsen sind dagegen einfacher zu kartieren, aber viele Aspekte ihrer Funktionsweise sind schwer zu erfassen und ihre Rolle im Konnektom von C.elegans ist daher zu vereinfacht dargestellt. Ein umfassendes Verständnis der Signaltransduktion von Neuronen untereinander und zu anderen Zellen wird Voraussetzung für ein vollständiges Erfassen des Nervensystems sein. In der vorliegenden Arbeit gehe ich diese Herausforderungen mithilfe einer Kombination aus modernsten licht- und elektronenmikroskopischen Verfahren an. Zunächst beschreibt diese Arbeit eine Strategie, um die synaptische Spezifität in der Konnektomik zu erhöhen, indem ich Gap Junctions mit einem hohen Maß an Genauigkeit klassifiziere. Um dies zu erreichen, nutzte ich array tomography (AT), eine Technik, die Licht- und Elektronenmikrokopie miteinander korreliert. In dieser Arbeit wird AT adaptiert für Hochdruckgefrierung, um die Strukturerhaltung zu optimieren, sowie für ultrahochauflösende Lichtmikroskopie; so wird die Kluft zwischen den Auflösungsbereichen von Licht- und Elektronenmikroskopie überbrückt. Diese Adaption nenne ich super-resolution array tomography (srAT). Der srATAnsatz machte es möglich, Gap Junctions mit hoher Präzision und Genauigkeit klar zu identifizieren. Für diese Arbeit konzentrierte ich mich dabei auf Gap Junctions des retrovesikulären Ganglions von C.elegans. Die Ergebnisse dieser Studie veranschaulichen, wie es möglich wäre, elektrische Synapsen systematisch in Konnektome aufzunehmen. Nachfolgende Studien haben srAT auch auf andere Modelle und Fragestellungen angewandt ...

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Introduction: Though xenogeneic acellular scaffolds are frequently used for surgical reconstruction, knowledge of their mechanical properties is lacking. This study compared the mechanical, histological and ultrastructural properties of various native and acellular specimens. Materials and methods: Porcine esophagi, ureters and skin were tested mechanically in a native or acellular condition, focusing on the elastic modulus, ultimate tensile stress and maximum strain. The testing protocol for soft tissues was standardized, including the adaption of the tissue’s water content and partial plastination to minimize material slippage as well as templates for normed sample dimensions and precise cross-section measurements. The native and acellular tissues were compared at the microscopic and ultrastructural level with a focus on type I collagens. Results: Increased elastic modulus and ultimate tensile stress values were quantified in acellular esophagi and ureters compared to the native condition. In contrast, these values were strongly decreased in the skin after acellularization. Acellularization-related decreases in maximum strain were found in all tissues. Type I collagens were well-preserved in these samples; however, clotting and a loss of cross-linking type I collagens was observed ultrastructurally. Elastins and fibronectins were preserved in the esophagi and ureters. A loss of the epidermal layer and decreased fibronectin content was present in the skin. Discussion: Acellularization induces changes in the tensile properties of soft tissues. Some of these changes appear to be organ specific. Loss of cross-linking type I collagen may indicate increased mechanical strength due to decreasing transverse forces acting upon the scaffolds, whereas fibronectin loss may be related to decreased load-bearing capacity. Potentially, the alterations in tissue mechanics are linked to organ function and to the interplay of cells and the extracellular matrix, which is different in hollow organs when compared to skin.

Tomographic electron holography combines tomography, the reconstruction of three-dimensionally resolved data from multiple measurements with different specimen orientations, with electron holography, an interferometrical method for measuring the complex wave function inside a transmission electron microscope (TEM). Due to multiple scattering and free wave propagation conventional, ray projection based, tomography does perform badly when approaching atomic resolution. This is remedied by incorporating propagation effects into the projection while maintaining linearity in the object potential. Using the Rytov approach an approximation is derived, where the logarithm of the complex wave is linear in the potential. The ray projection becomes a convolution with a Fresnel propagation kernel, which is considerably more computationally expensive. A framework for such calculations has been implemented in Python. So has a multislice electron scattering algorithm, optimised for large fields of view and high numbers of atoms for simulations of scattering at nanoparticles. The Rytov approximation gives a remarkable increase in resolution and signal quality over the conventional approach in the tested system of a tungsten disulfide nanotube. The response to noise seems to be similar as in conventional tomography, so rather benign. This comes at the downside of much longer calculation time per iteration. / Tomographische Elektronenholographie kombiniert Tomographie, die Rekonstruktion dreidimensional aufgelößter Daten aus einem Satz von mehreren Messungen bei verschiedenen Objektorientierungen, mit Elektronenholographie, eine interferrometrische Messung der komplexen Elektronenwelle im Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Wegen Mehrfachstreuung und Propagationseffekten erzeugt konventionelle, auf einer Strahlprojektion basierende, Tomography ernste Probleme bei Hochauflösung hin zu atomarer Auflösung. Diese sollen durch ein Modell, welches Fresnel-Propagation beinhaltet, aber weiterhin linear im Potential des Objektes ist, vermindert werden. Mit dem Rytov-Ansatz wird eine Näherung abgeleitet, wobei der Logarithmus der komplexen Welle linear im Potential ist. Die Strahlen-Projektion ist dann eine Faltung mit dem Fresnel-Propagations-Faltungskernel welche rechentechnisch wesentlich aufwendiger ist. Ein Programm-Paket für solche Rechnungen wurde in Python implementiert. Weiterhin wurde ein Multislice Algorithmus für große Gesichtsfelder und Objekte mit vielen Atomen wie Nanopartikel optimiert. Die Rytov-Näherung verbessert sowohl die Auflösung als auch die Signalqualität immens gegenüber konventioneller Tomographie, zumindest in dem getesteten System eines Wolframdisulfid-Nanoröhrchens. Das Rauschverhalten scheint ähnlich der konventionallen Tomographie zu sein, also eher gutmütig. Im Gegenzug braucht die Tomographie basierend auf der Rytov-Näherung wesentlich mehr Rechenzeit pro Iteration.

Mit der vorliegenden Arbeit sollten mit Hilfe elektronenmikroskopischer Methoden verschiedene Liposomen-DNA-Komplexe zum Gentransfer charakterisiert sowie die Aufnahme und Verteilung in der Zellkultur untersucht werden. Dabei waren vor allem solche Präparationen von besonderem Interesse, die in unserer Arbeitsgruppe 'Drug Targeting' getestet oder entwickelt und verwendet wurden, wie Sendai-Virus Liposomen (HVJ-Liposomen), Virosomen sowie DAC-Chol und DOCSPER-Liposomen als Vertreter der kationischen Lipide.<br /> <br /> Im ersten Teil der Arbeit wurden fusogene Liposomen und Virosomen charakterisiert. Bei diesen Untersuchungen wurden folgende Ergebnisse erzielt:<br /> ·Sendai-Viren fusionieren mit Liposomen unterschiedlicher Lipidzusammensetzung. <br /> ·Die daraus resultierenden HVJ-Liposomen sind mit elektronenmikroskopischen Methoden identifizierbar.<br /> ·Die Spikes auf den HVJ-Liposomen besitzen fusogene Eigenschaften. <br /> ·HVJ-Liposomen eignen sich auf Grund der geringen Ausbeute sowie der geringen Transfektionseffizienz nicht zum in vitro Gentransfer.<br /> ·Virosomen stellen einen weiteren Typ fusogener Gentransfervesikel dar.<br /> ·Ihre Größe und fusogenen Eigenschaften sind abhängig von der externen Zugabe einer optimierten Lipidmischung.<br /> ·Im Innenraum der Virosomen kann mit Poly-L-Lysin vorkomplexierte DNA verkapselt werden.<br /> ·Die fusogenen Eigenschaften der Virosomen wurden mit Hilfe immunelektronenmikroskopischer Techniken und monoklonaler Antikörper gegen Hämagglutinin/Neuraminidase und das Fusionsprotein sowie mit polyklonalen Antiseren gezeigt.<br /> ·An Hand goldmarkierter DNA sind Virosomen nach der Transfektion in der Zelle nachweisbar.<br /> <br /> Da in unserer Arbeitsgruppe bevorzugt kationische Liposomen zum Gentransfer verwendet werden, wurde auch die Struktur der Liposomen untersucht und folgende Ergebnisse dokumentiert:<br /> ·Die Struktur und die Größe kationischer Liposomen werden hauptsächlich durch die Lipidzusammensetzung bestimmt. <br /> ·Die Bildung von Liposomen-DNA-Komplexen ist mit einer Größenzunahme der Komplexe gekoppelt.<br /> ·Die Anzahl gebundener Plasmide steigt mit der Größe der Lipoplexe. <br /> ·Gentransferaktive Lipopolyplexe (mit Protaminsulfat komplexierte DNA und DAC-Chol- Liposomen) sind kleiner als Lipoplexe. Ihre Struktur wird von der Zusammensetzung bestimmt. <br /> <br /> Eine weitere wichtige Frage betrifft den Weg der Gencarrier in der Zelle. Kenntnisse über diese Vorgänge sind vorteilhaft, um die einzelnen Schritte zu verstehen und möglichst gezielt zu verbessern.<br /> Bei der Untersuchung der Partikel im Hinblick auf zelluläre Barrieren beim Gentransfer konnten folgende Ergebnisse erzielt werden: <br /> ·Die Bindung der Partikel an die Zellmembran und Aufnahme sind abhängig von den eingesetzten Zellen und Komplexen sowie derInkubationszeit.<br /> ·Die Aufnahme erfolgt über endozytotische Mechanismen, wobei Lipopolyplexe schneller als Lipoplexe in die Zellen gelangen. Nicht alle gebundenen Komplexe werden aufgenommen.<br /> ·Die aufgenommenen Partikel befinden sich in Endosomen und werden ins Innere der Zelle transportiert. <br /> ·Freisetzung der DNA und Eintritt in den Zellkern über Kernporen konnte nicht beobachtet werden.<br /> ·DNA-haltige Vesikel in Kernnähe deuten auf einen weiteren Mechanismus hin (Vesikeltransfer zum Zellkern). / The aim of this work is the characterisation of several liposome DNA complexes for in vitro gene transfer and uptake as well as their distribution in cultured cell lines using electron microscopy. The particles used were fusogenic liposomes made from Sendai virus, virosomes and cationic liposomes. <br /> At first fusogenic liposomes and virosomes were characterised. The results obtained are summarised below:<br /> ·Sendai virus can fuse with liposomes made from different lipid composition.<br /> ·HVJ-liposomes are detectable using electron microscopy techniques. <br /> ·The spikes from HVJ-liposomes have fusogenic properties.<br /> ·HVJ-liposomes are not suitable for in vitro gene transfer due to the low amount of fusogenic liposomes leading to low transfection efficiency.<br /> ·Virosomes, reconstituted virus envelopes, are another type of fusogenic vesicles.<br /> ·Size and morphology of virosomes depends on the addition of an optimised lipid mixture. <br /> ·PLL treated DNA is entrapped into virosomes.<br /> ·Monoclonal and polyclonal antibodies and protein A gold technique can be used for the detection of viral glycoproteins on virosomes. ·Gold labelled DNA was used to show the distribution in cultured cells.<br /> <br /> In order to characterise the structure of cationic liposomes following results were obtained:<br /> ·Size and structure depends on the lipid composition.<br /> ·The formation of liposomes leads to an increase of the size.<br /> ·Larger lipoplexes contain more DNA.<br /> ·Lipopolyplexes composed of DNA complexed with protamine sulphate and DAC- Chol liposomes are smaller than lipoplexes. Their structure depends on the composition.<br /> <br /> To improve transfection ability examination of the cellular barriers is useful.<br /> With regard to the fate of lipoplexes following results were obtained.<br /> ·Binding depends on the cell line, kind of particles and incubation time.<br /> ·Uptake occurs through endocytosis. Lipopolyplexes enter the cells faster than larger lipoplexes.<br /> ·Lipoplexes are enclosed in endosomes and were carried into the centre of the cell.<br /> ·Escape of DNA from endosomes and entry into nucleus were not visible.<br /> ·Vesicles with DNA were observed near the nucleus. There is an opportunity for another pathway to the nucleus.

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Optimierung und der Untersuchung der Materialeigenschaften des thermoelektrischen Materials Ag1-xPb18Sb1+yTe20 (englisch Lead-Antimony-Silver-Telluride: LAST). Bei LAST handelt es sich um Bleitellurid mit geringen Anteilen von Silber und Antimon, welche teilweise gelöst den Gitterplatz von Blei substituieren (Einbau in PbTe-Matrix) bzw. Fremdphasen auf m- und nm-Skala bilden. Seine hohe thermoelektrische Güte wird dabei hauptsächlich der geringen thermischen Gitterleitfähigkeit zugeschrieben, die in ersten Veröffentlichungen mit dem Auftreten nanoskaliger, Silber- und Antimonreicher Einschlüsse und deren Funktion als Phononenstreuer erklärt wurde. Das durch Schmelzsynthese hergestellte Bulkmaterial wurde im Rahmen der Arbeit durch Gefügeabbildung und Elementanalytik untersucht. In Kooperation mit den Projektpartnern sollte daraus eine Korrelation von Struktur- und Funktionseigenschaften abgeleitet, sowie eine reproduzierbare Syntheseroute entwickelt werden. Die elektronenmikroskopische Abbildung der Mikrostruktur erfolgte dabei auf zwei Größenskalen. Auf der µm-Skala wurde die Oberfläche des Bulkmaterials auf Homogenität und Zusammensetzung sowie Anteil des Fremdphasenbestands untersucht. Trotz des sehr komplexen Phasenbestandes aufgrund des quaternären Phasendiagramms und der Vielzahl relevanter Syntheseparameter konnte ein Zusammenhang zwischen Zusammensetzung (Regulierung des Silber- und Antimonanteils bzw. dessen Verhältnis), Temperbedingungen und thermoelektrischen Eigenschaften hergestellt werden. Mithilfe des detektierten Phasenbestandes konnte die Existenz einer Mischungslücke im quasibinären Phasendiagramm 2PbTe-AgSbTe2 nachgewiesen werden. Dabei bilden die Zusammensetzungen zwei der ermittelten Fremdphasen die Phasengrenzen. Die beobachtete spinodale Entmischung erzeugte eine extrem hohe Grenzflächendichte und kann somit ebenfalls einen Beitrag zur Senkung der Wärmeleitfähigkeit liefern. Für die Analyse der Mikrostruktur auf nm-Skala wurden aus der LAST-Matrix mithilfe der fokussierten Ionenstrahltechnik elektronentransparente Schnitte gefertigt. Abhängig von Temperbedingungen und dem Verhältnis von Silber und Antimon wurden auch hier fremdphasige Einschlüsse entdeckt. Dabei konnte ein optimaler Temperbereich von 500 bis 550 °C (bezogen auf einen hohen Gütewert) mit dem Auftreten dieser Einschlüsse korreliert werden. Eine allgemeine, direkte Zuordnung des Vorhandenseins von Nanostrukturen zu guten oder schlechten thermoelektrischen Eigenschaften konnte im Allgemeinen jedoch nicht nachgewiesen werden. Vielmehr wurden deutliche Hinweise gefunden, dass auch die Anordnung von Punktdefekten (Blei-Substitution durch Silber und Antimon) und ggf. Agglomerate aus Punktdefekten in der LAST-Matrix eine Rolle bei der Senkung der Wärmeleitfähigkeit spielen. Im hochaktuellen Entwicklungsgebiet selbstorganisierender Nanostrukturen mit Auswirkungen auf thermoelektrische Eigenschaften wurden substantielle Fortschritte bei der Entwicklung geeigneter, LAST-basierter Thermoelektrika für mittlere Einsatztemperaturen erzielt. Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit zeigen Optionen zur Erzeugung hocheffizienter thermoelektrischer Bauelemente auf, wie unter anderem die bestätigte Stabilität bis zu relativ hohen Einsatztemperaturen (> 500 °C) zeigt.