Hintergrund: Der Transkriptionsfaktor GATA-4 ist für die normale Entwicklung des Endoderms essentiell. Mausmutanten mit einer homozygoten Deletion des gata-4 Gens versterben zwischen den embryonalen Tagen 8.5 - 10.5 aufgrund einer Störung der ventralen Morphogenese und der Ausbildung des Herzschlauches. Zielsetzung und experimentelle Strategie: Um die Bedeutung von GATA-4 auch nach der embryonalen Entwicklung untersuchen zu können, wurden doppelt-transgene Mäuse generiert. Diese Mausmutanten exprimieren einen Tetrazyklin-Repressor und eine gegen GATA-4 gerichtete short hairpin RNA (shGATA-4). Die Expression der shGATA-4 steht dabei unter der Kontrolle eines H1-Promotors, welcher durch ein Tetrazyklin-Operator Element modifiziert wurde. Dadurch ist das System durch Doxyzyklin induzierbar. Ergebnisse: Die Integration der Transgene in dem Genom der Maus wurde durch Southern-Blot Analyse nachgewiesen. Die Expression der shGATA-4 wurde durch die Applikation von Doxyzyklin über das Trinkwasser (20 mg/ml) induziert. Langzeitstudien am Herzen haben dabei eine signifikante Suppression von GATA-4 nach 38 Tagen ergeben (80 %). Diese Reduktion konnte durch Western-Blot Analyse bestätigt werden. Obwohl die Expression verschiedener Zielgene von GATA-4 (ANF, BMP-4) ebenfalls herunterreguliert war, fiel bei den transgenen Mäusen kein kardialer Phänotyp auf. Jedoch wurde die GATA-4 Expression in den Hoden und Ovarien transgener Mäuse supprimiert, nachdem shGATA-4 durch die Applikation von Doxyzyklin induziert wurde. Weiterführende Untersuchungen an adulten Mäusen zeigten eine GATA-4 Reduktion von 20 % auch in nicht mit Doxyzyklin-induzierten Mausmutanten. Diese Reduktion könnte durch einen sog. leaky-Effekt des shGATA-4 Transgens hervorgerufen worden sein, wodurch die stark eingeschränkte Fertilität dieser Mauslinie erklärt werden könnte. Interessanterweise haben ca. 10 % der mit Doxyzyklin behandelten transgenen Weibchen Ovarial-Teratome ausgebildet. Histologisch wiesen diese Teratome überwiegend (neuro-) ektodermale, vereinzelt mesodermale und nahezu keine endodermalen Strukturen auf. Schlussfolgerung: In diesem Modell hat die Suppression von GATA-4 keinen Einfluss auf die Funktion des Herzens der adulten Maus. Jedoch scheint GATA-4 für die Fertilität der Maus von großer Bedeutung zu sein. Weiterhin scheint die Suppression von GATA-4 mit der Ausbildung von Ovarial-Teratomen assoziiert zu sein. / Background: The transcription factor GATA-4 is crucial for the normal endodermal development. In mice, homozygous deficiency of GATA-4 causes defects in ventral morphogenesis and heart tube formation, resulting in embryonic death between day e8.5 and e10.5. Aim and experimental strategy: To analyze the implication of GATA-4 beyond embryonic development a double transgenic mouse expressing the tetracycline repressor (TetR) and an inducible small interfering RNA directed against GATA-4 was generated. This expression construct contains a H1 promoter modified with a tetracycline operator upstream of the coding region for the GATA-4 short hairpin RNA (shGATA-4). Results: The integration of the transgenes in FvB mice (H1:G4/TetR) was confirmed by Southern blot. To induce the expression of the shGATA-4 construct, transgenic mice were treated with doxycycline (20 mg/ml drinking water). In longitudinal analysis, most efficient GATA-4 suppression was detected after 38 days. Quantitative PCR revealed a GATA-4 reduction of about 80 % in the heart, if normalized against the wildtype. Reduction of GATA-4 was confirmed by Western Blot. Although GATA-4 target genes (ANP, BMP-4) were down regulated, the animals showed no clinical phenotype. In opposite to wildtype mice, GATA-4 expression was undetectable in the ovaries and testis of transgenic mice with induced shGATA-4. Additional analysis in adult transgenic mice, which were not treated with doxycycline, also showed a reduction of GATA-4 expression of about 20 %, probably caused by a leaky-effect of the transgene. This may explain the significantly reduced fertility of the colony. Importantly, 10 % of transgenic females treated with doxycycline developed ovarian teratomas. Histological examination of teratomas showed predominantly (neuro-) ectodermal and to a lower degree mesodermal, but almost no endodermal compounds. Conclusions: GATA-4 reduction in the adult murine heart is – at least to a certain degree – clinically redundant. GATA-4 seems to be required for normal fertility. In our model GATA-4 deficiency seems to be associated with an increased risk for developing ovarian teratoma.

Das duktale Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) hat aufgrund seines aggressiven Wachstums, seiner frühen Metastasierung und seiner fehlenden Frühsymptome eine sehr schlechte Prognose und ist daher die vierthäufigste Krebstodesursache bei Männern und Frauen in Deutschland. Ein weiteres Charakteristikum von PDAC ist die starke desmoplas-tische Reaktion. Eine Funktion für stromale pankreatische Sternzellen (PSCs) bei der Förderung des Wachstums, der Proliferation und der Metastasierung des Tumors konnte bereits nachgewiesen werden. Für die Beantwortung der Frage, welche molekularen Ursachen einen funktionellen Zusammenhang zwischen Tumoraggressivität und Stroma-zellen herstellen könnten, wurden bereits im Vorfeld dieser Arbeit differentielle Genex-pressionsanalysen durchgeführt. Dabei fiel u.a. auf, dass das sezernierte Glykoprotein secreted Frizzled-related protein 1 (SFRP1), im Vergleich zum entsprechenden nicht-tumorigenen Pankreasgewebe, im Stroma von PDAC-Patienten transkriptionell herunterreguliert war. SFRP1 ist bereits bekannt als Tumorsuppressorgen. In den meisten Fällen wird seine Wirkung auf die Hemmung des β-Catenin-abhängigen (kanonischen) Wnt-Signalweges zurückgeführt. Es wurde bereits sehr häufig beobachtet, dass SFRP1 durch eine Hypermethylierung seiner Promotorregion in einer Vielzahl von humanen Tumoren, darunter auch PDAC sowie PDAC-Vorstufen, herunterreguliert ist. Mit dem Abschalten der SFRP1-Expression wurden erhöhte Proliferation sowie verringerte Apoptose bei den betroffenen Zellen, Merkmale des aktivierten kanonischen Wnt-Signalweges, festgestellt. SFRP1 ist jedoch auch in der Lage nichtkanonische Wnt-Signalwege zu modulieren. Das Ziel dieser von der Deutschen Gesellschaft für Forschung geförderten Arbeit war es, die stromale SFRP1-Expression auf Proteinebene in Proben von PDAC-Patienten mit der von Patienten mit chronischer Pankreatitis zu vergleichen bzw. mit deren Überleben zu korrelieren. Ein möglicher Unterschied sollte mithilfe eines Zellkultur-modells auf einen funktionellen Effekt hin untersucht werden. Dafür sollten stabil und regulierbar SFRP1-überexprimierende Zelllinien aus PDAC- bzw. PSC-Zellen für die Einbindung in Migrationsassays etabliert werden. Für die Ergründung der Mechanismen, die zur Herunterregulierung der stromalen SFRP1-Expression führen könnten, sollte der Methylierungstatus der SFRP1-Promotorregion in PSC- sowie vergleichsweise in PDAC-Zellen mittels methylierungsspezifischer PCR und Bisulfitsequenzierung analysiert werden. Desweiteren sollten diese Zellen mit Hilfe eines Reportergenassays auf eine Mikro-RNA-bedingte Modulation der SFRP1-Expression hin untersucht werden. Die immunhistochemische SFRP1-Färbung von PDAC-Patientenproben auf Tissue-Microarrays (TMAs) ergab eine signifikante Reduktion der stromalen SFRP1-Färbung im Vergleich zur entsprechenden Expression im Stroma von Patienten mit chronischer Pankreatitis (CP). Die Ergebnisse der differentiellen Genexpressionsanalyse konnten also auf Proteinexpressionsebene bestätigt werden. Bei der Korrelation der stromalen SFRP1-Färbung mit dem Überleben der entsprechenden Patienten mit R1-Resektionsstatus zeigte sich ein leichter Überlebensvorteil für die Patienten mit positiver SFRP1-Färbung. Bei der Analyse der SFRP1-Expression auf RNA- und Proteinebene in Zellkulturmodellen von PDAC zeigte sich, dass zwei von vier PDAC-Zelllinien sowie die PSCs und normale Pankreasgangzellen SFRP1-RNA exprimierten. Auch bei anderen untersuchten Tumor- oder murinen PDAC-Zelllinien war das Verhältnis zwischen Linien mit SFRP1-RNA und Linien ohne SFRP1-RNA eher gemischt. Keine dieser Zelllinien jedoch exprimierte SFRP1-Protein bis auf eine murine Fibroblastenzelllinie (3T3). Um zu ergründen, wodurch die Diskrepanz zwischen SFRP1-RNA- und fehlender -Proteinexpression zustande kam, wurden Methylierungsanalysen durchgeführt. Dabei ergaben sich individuelle Methylierungsmuster für die verschiedenen DNAs, die eine fehlende Proteinexpression bei nur einem Teil der Zelllinien erklären würden. Daher wurde eine weitere Möglichkeit der Genexpressionsregulation in eukaryontischen Zellen als Ursache in Betracht gezogen, die Hemmung der Translation von SFRP1-mRNA in Protein durch miRNAs. Hierbei konnte mittels Reportergenassays nachgewiesen werden, dass miRNAs in PSCs und PDAC-Zellen eine kleine Stelle in der 3’-untranslatierten Region sowie Stellen in der kodierenden Sequenz von SFRP1 erkennen, daran binden und translational herunterregulieren konnten. Da keine endogene Proteinexpression festgestellt werden konnte, wurden drei PDAC-Zelllinien (PANC-1, AsPC1 und MIA PaCa-2) sowie eine PSC-Zelllinie (Klon2.2) für die stabile Transfektion mit humanem SFRP1 auf einem regulierbaren Vektor ausgewählt. Mithilfe der Lipofektion gelang es jedoch nur bei MIA PaCa-2 und Klon2.2-Zellen, stabile Einzelzellklone anzuziehen, jedoch mit relativ variablen SFRP1-Expressionen und -Regulierbarkeiten. Um noch mehr PDAC-Zelllinien in funktionellen Tests untersuchen zu können, wurden alle vier Zelllinien noch einmal mit einer weiteren Gentransfermethode, der retroviralen Transduktion, in stabil SFRP1-exprimierende Zelllinien umgewandelt. Um zu untersuchen, inwiefern das in den Patienten verlorengegangene SFRP1 das migratorische Verhalten von PDAC- und PSC-Zellen beeinflussen könnte, wurden Scratch- und Invasions- (Migrations) -Assays mit diesen Zellen durchgeführt und mit den Ergebnissen der entsprechenden Leerkontrollen verglichen. Dabei ergab sich für MIA PaCa-2 sowohl mit den durch Lipofektion als auch mit den durch retrovirale Transduktion generierten Klonen/Zelllinien ein signifikant hemmender Einfluss der SFRP1-Überexpression auf das Migrationsverhalten im Scratch-Assay. PANC-1-Zellen schienen mit Lipofektions-SFRP1-Überständen signifikant schlechter durch Membranen zu migrieren und zeigten ebenfalls eine signifikante Migrationshemmung als retroviral transduzierte Zelllinie in Scatch- und Invasionsassay mit endogener SFRP1-Expression. Für PSCs zeigte sich eine SFRP1-abhängige Migrationshemmung im Scratch-Assay und in den Invasionsassays (mit endogener SFRP1-Überexpression und mit SFRP1-Anwesenheit im Überstand), allerdings nur mit Lipofektionsklonen. Es konnte also ein hemmender Einfluss von SFRP1 auf die Migration von PDAC- und PSC-Zellen nachgewiesen werden. Dieser würde theoretisch wegfallen, wenn SFRP1, wie im Tumorstroma von PDAC-Patienten nachgewiesen, herunterreguliert werden würde. Bei der Untersuchung eines Einflusses von SFRP1 auf die Expression weiterer Gene ergab sich, dass SFRP1 bei PDAC-Zellen keine Hemmung des kanonischen Wnt-Signalweges verursacht. Vielmehr scheint seine Überexpression einen positiven Effekt auf die Expression von Mitgliedern des nichtkanonischen planaren Zellpolaritätssignalweges (PCP) zu haben. Die Schlussfolgerung aus diesen Ergebnissen ist, dass ein Wegfall von SFRP1 im Stroma von PDAC in sehr frühen Phasen (und auch in den Tumorzellen selbst) durch miRNAs oder, im Falle der Tumorzellen, durch Hypermethylierung ausgelöst werden könnte. Sezernierte, tumorsupprimierende, parakrine Signale aus dem Stroma und autokrine Signale von den Tumorzellen selbst würden damit wegfallen und die planare Zellpolarität wäre nicht mehr aufrechterhaltbar. Damit würden sich die Polarität und die Migrationsbereitschaft der Tumorzellen so verändern, dass sie ungerichtet wandern könnten, wodurch das Risiko zur Metastasierung zunehmen könnte. Auf diese Weise könnte die stromale Herunterregulierung von SFRP1 bei der Aufrechterhaltung und Progression des PDAC eine Rolle spielen.

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) analyzes the fluctuations in the fluorescence intensity, which is emitted from a tiny excition volume, to obtain information about the concentration, the mobility, and the molecular interactions of labeled molecules. The more advanced fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) increases the precision in the determination of fl ow velocities and binding constants compared to standard FCS. The miniaturization in biomedical and chemical engineering has been developing rapidly, propelled by the vision of a fully functional laboratory on a single chip and its use in human therapeutics, for example, as implanted drug delivery system. A key requirement to fulfill this vision is the ability to handle small fl uid volumes. Handling liquids using the electrohydrodynamical principle circumvents many of the disadvantages of other systems. The complex flow pattern in the active region of such a pump could not be resolved by common tracking techniques. In this thesis, two-focus FCCS (2f-FCCS) was used to map the flow pro file inside a micropump. The high precision of 2f-FCCS in the determination of fl ow measurements even with small fluorescent particles allowed the measurement of the flow velocities induced by electrohydrodynamic forces acting on the solvent, while excluding the effects of dielectrophoretic forces acting on larger particles. Analysis of the fl ow data indicates a fl ow pattern that consists of two vortices of different size and opposite direction of rotation. The flow pattern derived by 2f-FCCS explains the observed complex particle trajectories in the force field and the accumulation of particles in well-de fined regions above the microelectrode array. In the second part of this thesis, the mechanism of RNA interference (RNAi) was studied by dual-color FCCS in vivo. RNAi is an evolutionary conserved gene silencing mechanism, which uses short double-stranded RNA molecules, called short interfering RNAs (siRNAs), as effector molecules. Due to its speci city and simplicity, RNAi yields a great potential for a widespread therapeutic use. To broaden the therapeutic applications, the in vivo stability of siRNAs has to be improved by chemical modi cations, but some of these modi fications inhibit the gene silencing mechanism. The presented FCCS assays are very well suited to investigate the individual assembly steps of RNAi machinery with very high specifi city and sensitivity in real time and to study the cleavage activity of the activated RNAi machinery. A direct correlation between activity of the RNAi machinery and the results from the FCCS measurements could be shown. The in fluence of several chemical modi cations on the assembly and activity of the RNAi machinery was investigated with these assays. / Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) analysiert die Fluktuationen im Fluoreszenzsignal eines kleinen angeregten Volumens, um Informationen über die Konzentration, die Bewegung und die Interaktionen der markierten Moleküle zu erhalten. Die Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Spektroskopie (FCCS) erhöht die Genauigkeit bei der Messung von Fließgeschwindigkeiten und Bindungskonstanten im Vergleich zur Standard-FCS. Die Miniaturisierung der Biomedizin und Chemie hat sich rapide entwickelt, angetrieben von der Vision eines kompletten Labors auf einem Chip und dem Einsatz dieses in der medizinischen Therapie, zum Beispiel als implantierter Medikamentenspender. Ein Schlüsselelement zur Erfüllung dieser Vision ist der Transport von kleinsten Flüssigkeitsmengen in diesen miniaturisierten Systemen. Der Transport von Flüssigkeiten mittels des elektrohydrodynamischen Prinzips umgeht viele Nachteile von anderen Systemen, allerdings zeigt eine solche Pumpe ein kompliziertes Strömungsbild in der aktiven Region, welches sich mit herkömmlichen Methoden wie Teilchenverfolgung nicht vermessen ließ. Hier wurde Zwei-Fokus-FCCS (2f-FCCS) genutzt, um das Strömungsbild in der Pumpe zu vermessen. Die hohe Genauigkeit der 2f-FCCS bei der Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten auch mit kleinen fluoreszierenden Teilchen ermöglichte die Messung der Fließgeschwindigkeiten, aufgrund der auf das Lösungsmittel wirkenden elektrohydrodynamischen Kräfte, unter Ausschluss der auf größere Teilchen wirkenden dielektrophoretischen Kräfte. Die Analyse der Daten ergab, dass das Strömungsbild aus zwei entgegengesetzt rotierenden unterschiedlich großen Wirbeln besteht. Dieses Strömungsbild erklärt die komplizierten Teilchenbewegungsbahnen und die Anreicherung der Teilchen in klar abgegrenzten Bereichen über den Mikroelektroden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der RNAi-Mechanismus in lebenden Zellen mittels Zwei-Farben-FCCS untersucht. RNA Interferenz (RNAi) ist ein evolutionär erhaltener Geninaktivierungsmechanismus, der kurze doppelsträngige RNA Moleküle, so genannte kurze interferierende RNAs (siRNAs), als Effektormoleküle nutzt. Die Spezifi tät und Einfachheit der RNAi hat ihr ein weites Feld in der medikamentösen Therapie geöffnet. Zur Erweiterung dieses Feldes ist es nötig die Stabilität der siRNAs im Körper mittels chemischer Modi fikationen zu erhöhen. Einige dieser Modifikationen hemmen aber den RNAi-Mechanismus. Die hier vorgestellten FCCS Experimente sind sehr gut geeignet, um die einzelnen Schritte des Zusammenbaus der RNAi Maschinerie mit hoher Empfi ndlichkeit und Spezi fität in Echtzeit zu untersuchen und die Aktivität der RNAi Maschinerie zu studieren. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Aktivität der RNAi Maschinerie und den Ergebnissen der FCCS Messungen hergestellt werden. Der Einfluss von verschiedenen chemischen Modikationen auf den Zusammenbau und die Aktivität der RNAi Maschinerie wurde mit diesen neuartigen Methoden untersucht.

No description available.

No description available.

The number of secure data streams a relay-assisted interference channel can support has been an intriguing problem. The problem is not solved even for a fundamental scenario with a single antenna at each transmitter, receiver and relay. In this paper, we study the achievable secure degrees of freedom of instantaneous relay-assisted interference channels with real and complex coefficients. The study of secure degrees of freedom with complex coefficients is not a trivial multiuser extension of the scenarios with real channel coefficients as in the case for the degrees of freedom, due to secrecy constraints. We tackle this challenge by jointly designing the improper transmit signals and widely-linear relay processing strategies.

Background Systematic, large-scale RNA interference (RNAi) approaches are very valuable to systematically investigate biological processes in cell culture or in tissues of organisms such as Drosophila. A notorious pitfall of all RNAi technologies are potential false positives caused by unspecific knock-down of genes other than the intended target gene. The ultimate proof for RNAi specificity is a rescue by a construct immune to RNAi, typically originating from a related species. Methodology/Principal Findings We show that primary sequence divergence in areas targeted by Drosophila melanogaster RNAi hairpins in five non-melanogaster species is sufficient to identify orthologs for 81% of the genes that are predicted to be RNAi refractory. We use clones from a genomic fosmid library of Drosophila pseudoobscura to demonstrate the rescue of RNAi phenotypes in Drosophila melanogaster muscles. Four out of five fosmid clones we tested harbour cross-species functionality for the gene assayed, and three out of the four rescue a RNAi phenotype in Drosophila melanogaster. Conclusions/Significance The Drosophila pseudoobscura fosmid library is designed for seamless cross-species transgenesis and can be readily used to demonstrate specificity of RNAi phenotypes in a systematic manner.

Das duktale Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) hat aufgrund seines aggressiven Wachstums, seiner frühen Metastasierung und seiner fehlenden Frühsymptome eine sehr schlechte Prognose und ist daher die vierthäufigste Krebstodesursache bei Männern und Frauen in Deutschland. Ein weiteres Charakteristikum von PDAC ist die starke desmoplas-tische Reaktion. Eine Funktion für stromale pankreatische Sternzellen (PSCs) bei der Förderung des Wachstums, der Proliferation und der Metastasierung des Tumors konnte bereits nachgewiesen werden. Für die Beantwortung der Frage, welche molekularen Ursachen einen funktionellen Zusammenhang zwischen Tumoraggressivität und Stroma-zellen herstellen könnten, wurden bereits im Vorfeld dieser Arbeit differentielle Genex-pressionsanalysen durchgeführt. Dabei fiel u.a. auf, dass das sezernierte Glykoprotein secreted Frizzled-related protein 1 (SFRP1), im Vergleich zum entsprechenden nicht-tumorigenen Pankreasgewebe, im Stroma von PDAC-Patienten transkriptionell herunterreguliert war. SFRP1 ist bereits bekannt als Tumorsuppressorgen. In den meisten Fällen wird seine Wirkung auf die Hemmung des β-Catenin-abhängigen (kanonischen) Wnt-Signalweges zurückgeführt. Es wurde bereits sehr häufig beobachtet, dass SFRP1 durch eine Hypermethylierung seiner Promotorregion in einer Vielzahl von humanen Tumoren, darunter auch PDAC sowie PDAC-Vorstufen, herunterreguliert ist. Mit dem Abschalten der SFRP1-Expression wurden erhöhte Proliferation sowie verringerte Apoptose bei den betroffenen Zellen, Merkmale des aktivierten kanonischen Wnt-Signalweges, festgestellt. SFRP1 ist jedoch auch in der Lage nichtkanonische Wnt-Signalwege zu modulieren. Das Ziel dieser von der Deutschen Gesellschaft für Forschung geförderten Arbeit war es, die stromale SFRP1-Expression auf Proteinebene in Proben von PDAC-Patienten mit der von Patienten mit chronischer Pankreatitis zu vergleichen bzw. mit deren Überleben zu korrelieren. Ein möglicher Unterschied sollte mithilfe eines Zellkultur-modells auf einen funktionellen Effekt hin untersucht werden. Dafür sollten stabil und regulierbar SFRP1-überexprimierende Zelllinien aus PDAC- bzw. PSC-Zellen für die Einbindung in Migrationsassays etabliert werden. Für die Ergründung der Mechanismen, die zur Herunterregulierung der stromalen SFRP1-Expression führen könnten, sollte der Methylierungstatus der SFRP1-Promotorregion in PSC- sowie vergleichsweise in PDAC-Zellen mittels methylierungsspezifischer PCR und Bisulfitsequenzierung analysiert werden. Desweiteren sollten diese Zellen mit Hilfe eines Reportergenassays auf eine Mikro-RNA-bedingte Modulation der SFRP1-Expression hin untersucht werden. Die immunhistochemische SFRP1-Färbung von PDAC-Patientenproben auf Tissue-Microarrays (TMAs) ergab eine signifikante Reduktion der stromalen SFRP1-Färbung im Vergleich zur entsprechenden Expression im Stroma von Patienten mit chronischer Pankreatitis (CP). Die Ergebnisse der differentiellen Genexpressionsanalyse konnten also auf Proteinexpressionsebene bestätigt werden. Bei der Korrelation der stromalen SFRP1-Färbung mit dem Überleben der entsprechenden Patienten mit R1-Resektionsstatus zeigte sich ein leichter Überlebensvorteil für die Patienten mit positiver SFRP1-Färbung. Bei der Analyse der SFRP1-Expression auf RNA- und Proteinebene in Zellkulturmodellen von PDAC zeigte sich, dass zwei von vier PDAC-Zelllinien sowie die PSCs und normale Pankreasgangzellen SFRP1-RNA exprimierten. Auch bei anderen untersuchten Tumor- oder murinen PDAC-Zelllinien war das Verhältnis zwischen Linien mit SFRP1-RNA und Linien ohne SFRP1-RNA eher gemischt. Keine dieser Zelllinien jedoch exprimierte SFRP1-Protein bis auf eine murine Fibroblastenzelllinie (3T3). Um zu ergründen, wodurch die Diskrepanz zwischen SFRP1-RNA- und fehlender -Proteinexpression zustande kam, wurden Methylierungsanalysen durchgeführt. Dabei ergaben sich individuelle Methylierungsmuster für die verschiedenen DNAs, die eine fehlende Proteinexpression bei nur einem Teil der Zelllinien erklären würden. Daher wurde eine weitere Möglichkeit der Genexpressionsregulation in eukaryontischen Zellen als Ursache in Betracht gezogen, die Hemmung der Translation von SFRP1-mRNA in Protein durch miRNAs. Hierbei konnte mittels Reportergenassays nachgewiesen werden, dass miRNAs in PSCs und PDAC-Zellen eine kleine Stelle in der 3’-untranslatierten Region sowie Stellen in der kodierenden Sequenz von SFRP1 erkennen, daran binden und translational herunterregulieren konnten. Da keine endogene Proteinexpression festgestellt werden konnte, wurden drei PDAC-Zelllinien (PANC-1, AsPC1 und MIA PaCa-2) sowie eine PSC-Zelllinie (Klon2.2) für die stabile Transfektion mit humanem SFRP1 auf einem regulierbaren Vektor ausgewählt. Mithilfe der Lipofektion gelang es jedoch nur bei MIA PaCa-2 und Klon2.2-Zellen, stabile Einzelzellklone anzuziehen, jedoch mit relativ variablen SFRP1-Expressionen und -Regulierbarkeiten. Um noch mehr PDAC-Zelllinien in funktionellen Tests untersuchen zu können, wurden alle vier Zelllinien noch einmal mit einer weiteren Gentransfermethode, der retroviralen Transduktion, in stabil SFRP1-exprimierende Zelllinien umgewandelt. Um zu untersuchen, inwiefern das in den Patienten verlorengegangene SFRP1 das migratorische Verhalten von PDAC- und PSC-Zellen beeinflussen könnte, wurden Scratch- und Invasions- (Migrations) -Assays mit diesen Zellen durchgeführt und mit den Ergebnissen der entsprechenden Leerkontrollen verglichen. Dabei ergab sich für MIA PaCa-2 sowohl mit den durch Lipofektion als auch mit den durch retrovirale Transduktion generierten Klonen/Zelllinien ein signifikant hemmender Einfluss der SFRP1-Überexpression auf das Migrationsverhalten im Scratch-Assay. PANC-1-Zellen schienen mit Lipofektions-SFRP1-Überständen signifikant schlechter durch Membranen zu migrieren und zeigten ebenfalls eine signifikante Migrationshemmung als retroviral transduzierte Zelllinie in Scatch- und Invasionsassay mit endogener SFRP1-Expression. Für PSCs zeigte sich eine SFRP1-abhängige Migrationshemmung im Scratch-Assay und in den Invasionsassays (mit endogener SFRP1-Überexpression und mit SFRP1-Anwesenheit im Überstand), allerdings nur mit Lipofektionsklonen. Es konnte also ein hemmender Einfluss von SFRP1 auf die Migration von PDAC- und PSC-Zellen nachgewiesen werden. Dieser würde theoretisch wegfallen, wenn SFRP1, wie im Tumorstroma von PDAC-Patienten nachgewiesen, herunterreguliert werden würde. Bei der Untersuchung eines Einflusses von SFRP1 auf die Expression weiterer Gene ergab sich, dass SFRP1 bei PDAC-Zellen keine Hemmung des kanonischen Wnt-Signalweges verursacht. Vielmehr scheint seine Überexpression einen positiven Effekt auf die Expression von Mitgliedern des nichtkanonischen planaren Zellpolaritätssignalweges (PCP) zu haben. Die Schlussfolgerung aus diesen Ergebnissen ist, dass ein Wegfall von SFRP1 im Stroma von PDAC in sehr frühen Phasen (und auch in den Tumorzellen selbst) durch miRNAs oder, im Falle der Tumorzellen, durch Hypermethylierung ausgelöst werden könnte. Sezernierte, tumorsupprimierende, parakrine Signale aus dem Stroma und autokrine Signale von den Tumorzellen selbst würden damit wegfallen und die planare Zellpolarität wäre nicht mehr aufrechterhaltbar. Damit würden sich die Polarität und die Migrationsbereitschaft der Tumorzellen so verändern, dass sie ungerichtet wandern könnten, wodurch das Risiko zur Metastasierung zunehmen könnte. Auf diese Weise könnte die stromale Herunterregulierung von SFRP1 bei der Aufrechterhaltung und Progression des PDAC eine Rolle spielen.

The dissertation presents theoretical and experimental studies on the physical origin of the signal in photothermal microscopy of single particles. This noninvasive optical far field microscopy scheme allows the imaging and detection of single absorbing nanoparticles. Based on a heat-induced pertur- bation in the refractive index in the embedding medium of the nanoscopic absorber, a corresponding probe beam modification is measured and quantified. The method is well established and has been applied since its first demonstration in 2002 to the imaging and characterization of various absorbing particle species, such as quantum dots, single molecules and nanoparticles of different shapes. The extensive theoretical developments presented in this thesis provide the first quantitative assess- ment of the signal and at the same time enlarge its phenomenology and thereby its potential. On the basis of several approximation schemes to the Maxwell equations, which fundamentally gov- ern the interaction of light with inhomogeneities, several complementing models are devised which describe the photothermal signal both qualitatively and quantitatively. In succession an interdepen- dent and self-consistent set of theoretical descriptions is given and allows important experimental consequences to be drawn. In consequence, the photothermal signal is shown to correspond to the action of a nanoscopic (thermal) lens, represented by the spherically symmetric refractive index pro- file n(r) which accompanies the thermal expansion of the absorber’s environment. The achieved quantification allows the direct measurement of absorption cross-sections of nanoparticles. Further, a qualitatively new phenomenology of the signal is unraveled and experimentally demonstrated. The separate roles of the probing and the heating beams in photothermal microscopy is dismantled and the influence of their relative alignment shown to allow for a controlled adjustment of the effective detection volume. For the first time, both positive and negative signals are demonstrated to occur and to be the characteristic signature of the lens-like action on the probe beam. The detection of the probe beam’s modification is also shown to sensitively depend on the aperture used in the detection chan- nel, and a signal optimization is shown to be feasible. Also, a generalization of the detectable signal via the use of a quadrant photodiode is achieved. Specifically, measuring the far field beam deflec- tion the result of the beam passing the lens off-center manifests in a laterally split detection volume. Hereby, finally each classical photothermal spectroscopic techniques has been shown to possess its microscopic counterpart. Central to the understanding of this generalized and new phenomenology is a scalar wave-optical model which draws an analogy between the scattering of a massive particle wave-packet by a Coulomb potential and the deflection of a focused beam by a photonic potential connected with the thermal lens. The significance of the findings is demonstrated by its methodological implications on photother- mal correlation spectroscopy in which the diffusion dynamics of absorbing colloidal particles can be studied. The unique split focal detection volumes are shown to allow the sensitive measurement of a deterministic velocity field. Finally, the method is supplemented by a newly introduced sta- tistical analysis method which is capable of characterizing samples containing a heterogeneous size distribution.:Contents Bibliographic description Abbreviations 1 Introduction 2 Theoretical Background 2.1 The current literature on the subject of the photothermal signal 2.2 Thermal conduction, and the temperature field around heated nanoparticles 2.3 The linear thermo-refractive response and the thermal lens 2.4 MAXWELL equations and approximation schemes 2.4.1 The MAXWELL equations 2.4.2 HELMHOLTZ equations 2.4.3 Paraxial HELMHOLTZ equation for the field components 2.4.4 Geometrical optics and the eikonal ansatz 2.5 Diffraction and the optical resolution limit in far field microscopy 2.5.1 Transmission scanning microscopy 2.5.2 Point spread functions and aberrations 2.5.3 Scalar diffraction approximation for weakly focused beams 2.5.4 Vectorial diffraction for highly focused electromagnetic fields 2.5.5 Theoretical description of transmission signals 2.6 Elastic scattering of light 2.6.1 Overview of optical elastic scattering theory 2.6.2 The integral equation of potential scattering and the BORN approximation 2.6.3 The generalized LORENZ-MIE theory 2.6.4 The electromagnetic fields 2.6.5 Description of the incident field: beam shape coefficients 2.6.6 Multilayered scatterers 2.6.7 POYNTING vector and field decomposition 2.6.8 Energy balance & total cross-sections 2.6.9 Optical theorem & the extinction paradox 2.6.10 Small particle scattering: the RAYLEIGH-limit 2.7 Optical properties of gold nanoparticles & Surface plasmon resonances 2.7.1 Dielectric function of gold 2.7.2 Total cross-sections of plasmonic nanoparticles properties of gold nanoparticles & Surface plasmon resonances 2.8 (Hot) BROWNian motion, diffusion and their statistical analysis 2.8.1 (Hot) BROWNian motion 2.8.2 Diffusion and correlation analysis 2.8.3 Methods regarding the signal statistics of diffusing tracer particles 2.9 RUTHERFORD scattering of charged particles 2.9.1 Classical RUTHERFORD scattering 2.9.2 Quantum mechanical COULOMB scattering 3 Experimental Setup 3.1 Sample preparation 3.2 Photothermal microscopy setup 4 Photothermal Imaging: Results and Discussion 4.1 MAXWELL equations: Exact treatment of the PT signal 4.1.1 Angularly resolved powers: Fractional cross-sections 4.1.2 Incident power and background normalization 4.1.3 Fractional scattering and extinction cross-sections (off-axis) 4.1.4 Fractional scattering and extinction cross-sections (on-axis) 4.1.5 Small particle approximation(on-axis) 4.1.6 General properties of transmission scans 4.1.7 The thermal lens n(r) in the MIE-scattering framework 4.1.8 The photothermal signal F in the MIE scattering framework 4.2 Geometrical optics: Photonic RUTHERFORD scattering (ray optics) 4.2.1 FERMAT’s principle for a thermal lens medium 4.2.2 Gaussian beam transformation by a thermal lens 4.2.3 Experiments using weakly focused, i.e. nearly Gaussian beams 4.3 HELMHOLTZ equation: Photonic RUTHERFORD scattering (wave optics) 4.3.1 Plane-wave scattering 4.3.2 Focused beam scattering 4.3.3 Connection to the far field 4.3.4 Photothermal Rutherford scattering microscopy 4.3.5 Photothermal half-aperture measurements 4.4 Paraxial HELMHOLTZ equation: FRESNEL diffraction by a thermal lens 4.4.1 The diffraction integral and the phase mask for a thermal lens 4.4.2 The photothermal signal expressed via the image plane field 4.4.3 Experimental demonstration of the signal inversion 4.4.4 Connection to photothermal RUTHERFORD scattering 4.5 Plane-wave extinction & scattering by a thermal lens 4.5.1 The BORN approximation for the ideal and time-dependent thermal lens 4.5.2 The eikonal approximation for the ideal thermal lens and x>>1 4.5.3 Lessons to be learned from plane-wave scattering by thermal lenses 4.6 What is a lens? And is n(r) a lens? 5 Methodological Applications of the Results 5.1 Generalized photothermal correlation spectroscopy (incl. twin-PhoCS) 5.2 Photothermal signal distribution analysis (PhoSDA) 6 Summary and Outlook 6.1 Summary of the results 6.2 Outlook 7 Appendix 7.1 Material parameters 7.2 Calculation parameters 7.3 Interactive simulation scripts (Processing) 7.4 Vectorial scattering in the BORN-approximation 7.5 Details regarding the scattering framework 7.5.1 Connection between Gmn,TE,TM of Ref.1 and gmn,TE,TM in the GLMT 7.5.2 Off-axis BSCs including aberration (single interface) 7.5.3 Details on the incidence power Pinc 7.5.4 Details on the incidence power Pinc for arbitrary beams 7.5.5 Explicit expressions for the spherical field components of Es,i and Hs,i 7.5.6 Note on the time-dependence and the corresponding sign-conventions in M 7.5.7 Recurrence relation for Pn and tn 7.5.8 Gaussian beam shape coefficients: Off-axis 7.5.9 Multilayered Scatterer 7.5.10 POYNTING-vector and energy flow fields 7.5.11 Convergence 7.5.12 Further evaluations in the GLMT framework 7.5.13 Diffraction model: Comparison of angular PT signal pattern to the GLMT 7.6 Details on geometrical optics models 7.6.1 Geometrical optics: Exact solution r(f) for |bx|<1 7.6.2 Correspondences in photonic and partile RUTHERFORD scattering 7.6.3 On the difference in the definition of optical energy 7.6.4 Ray-opticsphotothermalsignal 7.6.5 Thick lens raytracing and the equivalent lens shape for a given aberration 7.7 Thermal lens around a wire of radius R 7.8 Twin-PhoCS: Graphic illustration of the CCF integrand Curriculum Vitae Publications Declaration Acknowledgements List of Tables List of Figures Bibliography

In the past 15 years, many efforts were made to create functionalized artificial surfaces showing special anti-bacterial and anti-biofouling properties. Thereby, the topography of medical relevant materials plays an important role. However, the targeted fabrication of promising surface structures like hole-, lamella- and pyramid-like patterns with feature sizes in the sub-micrometer range in a one-step process is still a challenge. Optical and e-beam lithography, molding and selfassembly layers show a great potential to design topographies for this purpose. At the same time, most of these techniques are based on sequential processes, require masks or molds and thus are very device relevant and time consuming. In this work, we present the Direct Laser Interference Patterning (DLIP) technology as a capable method for the fast, flexible and direct fabrication of periodic micrometer- and submicrometer structures. This method offers the possibility to equip large plain areas and curved devices with 1D, 2D and 3D patterns. Simple 1D (e.g. lines) and complex 3D (e.g. lamella, pillars) patterns with periodic distances from 0.5 μm to 5 μm were fabricated on polymeric materials (polyimide, polystyrene). Subsequently, we characterized the adhesion behavior of Staphylococcus epidermidis and S. aureus bacteria under in vitro and in vivo conditions. The results revealed that the topographies have a significant impact on bacteria adhesion. On the one side, one-dimensional line-like structures especially with dimensions of the bacteria enhanced microbe attachment. While on the other hand, complex three-dimensional patterns prevented biofilm formation even after implantation and contamination in living organisms.