Die Pierre-Robin-Sequenz ist eine angeborene kraniofaziale Fehlbildung, bei der häufig eine Triade von Symptomen, bestehend aus mandibulärer Mikrognathie/Retrognathie, Glossoptose und einer Gaumenspalte, beobachtet werden kann. Aufgrund der Heterogenität der PRS und der häufigen Vergesellschaftung mit Syndromen, konnten Ätiologie und Pathogenese der PRS bisher nur unzureichend geklärt werden. Für einen Teil der Patienten mit isolierter PRS konnte eine familiäre Häufung von PRS-Fällen nachgewiesen werden, was auf eine erbliche Komponente als krankheitsauslösenden Faktor hinweist. In diesem Zusammenhang konnten bei Patienten mit isolierter PRS gehäuft genetische Veränderungen mit einer Entfernung von über 1Mb zentromerisch (5´) von SOX9 auf dem Chromosom 17 detektiert werden. Es wird vermutet, dass diese genetischen Aberrationen am SOX9 Lokus eine gewebsspezifische Fehlregulation von SOX9 während der Embryonalentwicklung auslösen und somit ursächlich für die Entstehung von PRS sein können. Das Ziel dieser Arbeit war es, eine Würzburger Patientenkohorte mit isolierter PRS zu gewinnen und Informationen über die phänotypischen Merkmale der Studienteilnehmer auszuwerten. Im Anschluss sollte die Patienten-DNS mittels molekulargenetischen Analysemethoden auf potenziell krankheitsauslösende genetische Aberrationen am SOX9 Lokus untersucht werden. Zunächst konnte eine Kohorte mit sieben PRS-Patienten erstellt und Informationen über die phänotypischen Krankheitsmerkmale erfasst und ausgewertet werden. Anschließend wurden bei den Studienteilnehmern eine Array-CGH, eine quantitative Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion und im Bereich von drei konservierten, potenziell regulatorischen Elementen des SOX9 Lokus eine Sanger Sequenzierung durchgeführt. Die Array-CGH ergab zunächst bei einem Patienten zwei große Deletionen im regulativen Umfeld des SOX9 Lokus, welche im Weiteren nicht durch qPCR bestätigt werden konnten. Letztendlich konnten durch die Sanger Sequenzierung 22 Varianten detektiert werden, wovon für drei Einzelnukleotid-Polymorphismen eine prädisponierende Wirkung diskutierbar und für zwei Einzelnukleotid-Varianten eine ursächlich pathogene Wirkung nicht auszuschließen ist. / The Pierre-Robin-Sequence is a congenital craniofacial disorder mostly described as a triade of symptoms, consisting of mandibular micrognathia, glossoptosis and cleft palate. Due to its heterogenity, the aetiology and pathogenesis of PRS is not recognized in every case of the disease. Nevertheless familial accumulation in isolated PRS cases pointed to a possible genetic source of pathology. In this context, genetic analysis in patients with isolated PRS pointed to genetic variations far upstream (more than 1Mb) of the SOX9 gene on chromosome 17 as possibly disease-inducing. These genetic variations at the SOX9 lokus are supected to cause tissue specific misregulation of SOX9 during embryogenesis and thus can be seen as causal for the development of isolated PRS. The objective of this study was to form a group of patients with isolated PRS and to gain information about their phenotype. Subsequently, genetic analysis should be used to find potentially disease inducing genetic variations at the SOX9 lokus. A cohort of 7 patients with isolated PRS was formed and the phenotypes of these patients were registered and evaluated. In addition, array-CGH, real-time quantitative polymerase chain reaction and sanger sequencing was performed for all the participants of this study. Array-CGH resulted in two big deletions within the regulary domain of the SOX9 lokus, which could not be confirmed with qPCR. Eventually, sanger sequencing of three conserved, non coding elements at the SOX9 lokus showed 22 variants, of which three single-nucleotid polymorphisms could potentially prove to have a predisposing effect and two singlenucleotid-variants, for which a pathogenic effect cannot be ruled out.

Microarray technology provides powerful tools in the field of biomedicalresearch because it can measure molecular interactions in a highly parallelfashion. It has uses in protein, DNA or cell research, in both discovery anddiagnostic applications. Microfluidics, on the other hand, provides thenecessary tools to rapidly transport and mix small volumes of sample to amicro-sensor area. Bridging these two technologies has the potential todevelop a miniaturized, automated and ease-of-use toolbox for biologicalanalysis. However, the integration of microfluidics with microarrays is notstraightforward, as if a robust and leak-tight seal between the microarray andthe microfluidic channels. Current sealing methods are either impractical,such as mechanical clamping, or not compatible with proteins, such as heat orplasma bonding or gluing. Moreover the former methods create a permanentseal that, once applied prevents the microfluidic structure to be removed later.This work focuses on developing a microfluidic add-ons ("Biosticker") that canbe robustly sealed with protein microarrays with maintained biologicalactivity, but at the same time easily removed to allow for multiple stickersapplied in a sequence or scanning of the microarray in a standard reader. Thefeatures of the novel Biostickers are made possible by the use ofOff-stoichiometry thiol-ene-epoxy (OSTEmer) polymers. In this thesis, wedesign and fabricate Biostickers for rapid integration with pre-spottedmicroarrays and experimentally verify how these micropatterned Biostickerscan be used to significantly facilitate multiplexed assays, by avoiding the useof beads. / Microarray-tekniken är ett kraftfullt verktyg inom biomedicinsk forskningeftersom den kan mäta miljontals molekylära interaktioner parallellt. Den haranvändningsområden i protein-, DNA- eller cellforskning, både i forskningoch diagnostik. Mikrofluidik, å andra sidan, ger de nödvändiga verktygen föratt snabbt transportera och blanda små provvolymer till en sensoryta. Genomatt kombinera dessa två teknologier finns potential att utveckla enminiatyriserad, automatiserad och lättanvänd verktygslåda för biologiskanalys. Emellertid är integrationen av mikrofluidik med mikroarrayer inteenkel, då ytorna är känsliga, kanalerna mycket små men tätningen måste varaperfekt. De vanligast förekommande förseglingsmetoder är antingenopraktiska, som mekaniskt tryck eller så är de inte kompatibla med proteiner,som t.ex. värme- eller plasmabondning. Dessutom syftar de flestaförseglingsmetoder mot att skapa en permanent försegling som vidanvändning förhindrar mikrofluidikstrukturer från att tas bort i ett senareskede, tex. vid avläsning i en skanner. Detta arbete fokuserar på att utvecklamikrostrukturerade plastartiklar ("Biosticker") innehållande kanaler ochkaviteter. Dessa Biosticker kan på ett robust och läckfritt sätt kansammanfogas med proteinmikroarrayer utan att påverka den biologiskaaktivitetet men samtidigt kunna avlägsnas för att tillåta flera Biostickersapplicerade i en sekvens eller scanning i en mikroarrayläsare. Dessafunktioner möjliggörs genom av så kallade icke-stökiometrska-tiol-ene-epoxipolymerer (OSTEmer) används som material. I den här avhandlingenutvecklas och tillverkas Biostickers för snabb integrering medproteinmikroarrayer. Det verifieras även experimentellt hur dessa Biostickerskan användas för att underlätta genomförandet av sk. multiplexadeprotinanalyser.

Bradyrhizobium japonicum ist ein Bodenbakterium, welches in der Lage ist mit der bedeutenden Agrarpflanze Sojabohne zu interagieren und deren Wachstum zu fördern. In der vorliegenden Arbeit wurde das Genistein-Stimulon und verschiedenen Stressantworten von B. japonicum mittels Mikroarrayanalyse bestimmt. 101 Gene werden nach Genisteinzugabe induziert. NodW ist der Hauptaktivator der Genistein-induzierbaren Gene, welche zum Großteil kein nod-Box-Motiv in der Promotorregion aufweisen. Einzig acht Gene, wovon sieben für Transportersysteme kodieren, zeigen in der NodW-Mutante 613 nach Genisteinzugabe weiterhin ein erhöhtes Expressionsniveau. In weiterführenden Arbeiten konnte für zumindest ein Transportersystem (Bll4319/Bll4320/Bll4321) neben der Genistein-Abhängigkeit auch eine Regulation durch den Genistein-abhängigen TetR-Regulator FrrA nachgewiesen werden [Günther 2007; Bhandari 2008]. Dies zeigt, dass NodW in weiterführende Regulationskaskaden eingebunden sein muss, wobei diese in der vorliegenden Arbeit nicht näher charakterisiert wurden. Die Mikroarraydaten geben lediglich Hinweise auf mögliche Regulationskaskaden. Anhand der Mikroarraydaten liegt die Vermutung nahe, dass die Transkriptionsaktivierung des lateralen Flagellenclusters ebenfalls einer indirekten NodW-abhängigen Regulation unterliegt. Durch Pflanzentests war bekannt, dass es B. japonicum 901 möglich ist, den NodW-Defekt bei der Nodulation der Wirtspflanzen zu überwinden [Grob et al. 1993]. Dies beruht auf die Überexpression des 2-Komponentenregulators NwsB. So können Symbiose-relevante Gene wie die nod-Box-assoziierten Gene ähnlich dem Wildtyp nach Genistein-Zugabe induziert werden. NwsB ist aber nicht in der Lage, das Flagellarcluster der lateralen Flagellen (bis auf blr6846) nach Genistein-Zugabe zu induzieren. Dies bedeutet, dass trotz der hohen Ähnlichkeit zwischen den 2-Komponentenregulatoren NodW und NwsB, die Bindestellen in der Promotorregion der Genistein-induzierbaren Genen nicht identisch sind. Die NodD1-Mutante 1267 ist in der Lage, weiterhin Knöllchen mit allen Wirtspflanzen von B. japonicum zu bilden [Göttfert et al. 1992], was wahrscheinlich auf ein funktionelles NodW als Hauptaktivator der nodYABC-Operons zurückzuführen ist. Anhand der Mikroarraydaten ist festzustellen, dass kein weiteres nod-Box-assoziiertes Operon in der NodD1-Mutante 1267 verstärkt exprimiert vorliegt. Dies könnte bedeuten, dass NodW die Transkription von nodD1 und des nodYABC-Operons startet und später durch NodD1 in der Aktivierung der nod-Box-assoziierten Gene unterstützt wird. In der vorliegenden Arbeit wurde die transkriptionelle Stressantwort von B. japonicum hinsichtlich pH 4, pH 8, 80 mM NaCl, Hitzeschock und Temperaturstress analysiert. Dabei konnten sowohl Aussagen über Gene, welche in die allgemeine als auch in die spezifische Stressantwort eingebunden sind, getroffen werden. Die transkriptionelle Antwort auf pH 8 war mit 1636 differenziell exprimierten Genen die umfangreichste Stressantwort der vorliegenden Arbeit. Hierbei konnte gezeigt werden, dass B. japonicum bei pH-Stress besonders Gene der pHi-Homöostase aktiviert. Dies umfasst sowohl Transportergene als auch enzymatische Gene. Interessant waren die differenziell exprimierten Gene, welche bei pH 8 verstärkt und bei pH 4 verringert exprimiert vorlagen. Diese Gene besitzen im Promotorbereich eine RegR-Box und sind in der transkriptionellen Aktivierung von RegR abhängig [Lindemann et al. 2007]. Aufgrund der Homologie des RegSR-Systems von B. japonicum mit dem pH-abhängigen ActSR-System von S. meliloti besteht die Möglichkeit, dass RegSR ebenfalls in die pH-abhängige Regulation dieser Gene eingebunden ist. Neben solch spezifischen Stressantworten konnte auch eine allgemeine Stressantwort ermittelt werden. So weisen fünf Gene ein gleiches Expressionsmuster in den untersuchten Stressanalysen dieser Arbeit auf. blr5264 kodiert hierbei für einen 2-Komponenten-Hybridsensor und -Regulator und könnte als Regulator in die allgemeine Stressantwort von B. japonicum eingebunden sein. Aus diesem Grund wurde Blr5264 in GscR (general stress control regulator) umbenannt. Mittels Mutagenese von gscR wurde B. japonicum D826 erzeugt, dessen Transkriptom bezüglich Salzstress und Hitzeschock verifiziert wurde. Es wurden 87 Gene identifiziert, welche bei Stresseinfluss von GscR abhängig sind. Hierunter sind sieben verringert exprimierte Gene, welche bei Stress im Wildtyp verstärkt exprimiert vorliegen. Diese scheinen demzufolge bei Stress durch GscR transkriptionell aktiviert zu werden. Das interessanteste Gen war hierbei blr7881, welches für einen ArsR-Typ-Regulator kodiert und einen weiteren Schritt in der allgemeinen Stressantwort von B. japonicum sein könnte.

Bradyrhizobium japonicum ist ein Bodenbakterium, welches in der Lage ist mit der bedeutenden Agrarpflanze Sojabohne zu interagieren und deren Wachstum zu fördern. In der vorliegenden Arbeit wurde das Genistein-Stimulon und verschiedenen Stressantworten von B. japonicum mittels Mikroarrayanalyse bestimmt. 101 Gene werden nach Genisteinzugabe induziert. NodW ist der Hauptaktivator der Genistein-induzierbaren Gene, welche zum Großteil kein nod-Box-Motiv in der Promotorregion aufweisen. Einzig acht Gene, wovon sieben für Transportersysteme kodieren, zeigen in der NodW-Mutante 613 nach Genisteinzugabe weiterhin ein erhöhtes Expressionsniveau. In weiterführenden Arbeiten konnte für zumindest ein Transportersystem (Bll4319/Bll4320/Bll4321) neben der Genistein-Abhängigkeit auch eine Regulation durch den Genistein-abhängigen TetR-Regulator FrrA nachgewiesen werden [Günther 2007; Bhandari 2008]. Dies zeigt, dass NodW in weiterführende Regulationskaskaden eingebunden sein muss, wobei diese in der vorliegenden Arbeit nicht näher charakterisiert wurden. Die Mikroarraydaten geben lediglich Hinweise auf mögliche Regulationskaskaden. Anhand der Mikroarraydaten liegt die Vermutung nahe, dass die Transkriptionsaktivierung des lateralen Flagellenclusters ebenfalls einer indirekten NodW-abhängigen Regulation unterliegt. Durch Pflanzentests war bekannt, dass es B. japonicum 901 möglich ist, den NodW-Defekt bei der Nodulation der Wirtspflanzen zu überwinden [Grob et al. 1993]. Dies beruht auf die Überexpression des 2-Komponentenregulators NwsB. So können Symbiose-relevante Gene wie die nod-Box-assoziierten Gene ähnlich dem Wildtyp nach Genistein-Zugabe induziert werden. NwsB ist aber nicht in der Lage, das Flagellarcluster der lateralen Flagellen (bis auf blr6846) nach Genistein-Zugabe zu induzieren. Dies bedeutet, dass trotz der hohen Ähnlichkeit zwischen den 2-Komponentenregulatoren NodW und NwsB, die Bindestellen in der Promotorregion der Genistein-induzierbaren Genen nicht identisch sind. Die NodD1-Mutante 1267 ist in der Lage, weiterhin Knöllchen mit allen Wirtspflanzen von B. japonicum zu bilden [Göttfert et al. 1992], was wahrscheinlich auf ein funktionelles NodW als Hauptaktivator der nodYABC-Operons zurückzuführen ist. Anhand der Mikroarraydaten ist festzustellen, dass kein weiteres nod-Box-assoziiertes Operon in der NodD1-Mutante 1267 verstärkt exprimiert vorliegt. Dies könnte bedeuten, dass NodW die Transkription von nodD1 und des nodYABC-Operons startet und später durch NodD1 in der Aktivierung der nod-Box-assoziierten Gene unterstützt wird. In der vorliegenden Arbeit wurde die transkriptionelle Stressantwort von B. japonicum hinsichtlich pH 4, pH 8, 80 mM NaCl, Hitzeschock und Temperaturstress analysiert. Dabei konnten sowohl Aussagen über Gene, welche in die allgemeine als auch in die spezifische Stressantwort eingebunden sind, getroffen werden. Die transkriptionelle Antwort auf pH 8 war mit 1636 differenziell exprimierten Genen die umfangreichste Stressantwort der vorliegenden Arbeit. Hierbei konnte gezeigt werden, dass B. japonicum bei pH-Stress besonders Gene der pHi-Homöostase aktiviert. Dies umfasst sowohl Transportergene als auch enzymatische Gene. Interessant waren die differenziell exprimierten Gene, welche bei pH 8 verstärkt und bei pH 4 verringert exprimiert vorlagen. Diese Gene besitzen im Promotorbereich eine RegR-Box und sind in der transkriptionellen Aktivierung von RegR abhängig [Lindemann et al. 2007]. Aufgrund der Homologie des RegSR-Systems von B. japonicum mit dem pH-abhängigen ActSR-System von S. meliloti besteht die Möglichkeit, dass RegSR ebenfalls in die pH-abhängige Regulation dieser Gene eingebunden ist. Neben solch spezifischen Stressantworten konnte auch eine allgemeine Stressantwort ermittelt werden. So weisen fünf Gene ein gleiches Expressionsmuster in den untersuchten Stressanalysen dieser Arbeit auf. blr5264 kodiert hierbei für einen 2-Komponenten-Hybridsensor und -Regulator und könnte als Regulator in die allgemeine Stressantwort von B. japonicum eingebunden sein. Aus diesem Grund wurde Blr5264 in GscR (general stress control regulator) umbenannt. Mittels Mutagenese von gscR wurde B. japonicum D826 erzeugt, dessen Transkriptom bezüglich Salzstress und Hitzeschock verifiziert wurde. Es wurden 87 Gene identifiziert, welche bei Stresseinfluss von GscR abhängig sind. Hierunter sind sieben verringert exprimierte Gene, welche bei Stress im Wildtyp verstärkt exprimiert vorliegen. Diese scheinen demzufolge bei Stress durch GscR transkriptionell aktiviert zu werden. Das interessanteste Gen war hierbei blr7881, welches für einen ArsR-Typ-Regulator kodiert und einen weiteren Schritt in der allgemeinen Stressantwort von B. japonicum sein könnte.

In the European Union an environmental risk assessment is required for the registration of new chemicals, biocides, pesticides and pharmaceuticals. In order to avoid the release of potential hazardous substances, various ecotoxicity tests are performed, including acute and chronic fish tests. As a consequence of the new program of the European Union “Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals” (REACH) the number of animal experiments for environmental risk assessment is expected to increase remarkably within the next years. On the other hand there is a strong societal demand for reducing the number of animal tests by using alternative in vitro models. According to EU directives, investigations using non-human vertebrate embryos are considered pain free in vitro methods and are therefore accepted as alternatives to animal experiments. For the acute fish test, the Danio rerio embryo test (DarT) has been established as a replacement method and included in national regulations at least for waste water (German Waste Water Dues Law). However, no alternatives for chronic fish tests are currently available. The overall goal of this thesis was to work towards such a replacement by extending DarT zu Gene-DarT. Toxicants will initially interact at the molecular level with consequences for physiology, fitness and survival. The analysis of gene expression patterns may unravel elements of these molecular events before any phenotypic changes are visible. The hypothesis of this thesis therefore was that chemical-sensitive genes in embryos exposed in a conventional DarT may indicate toxic impact of substances at sub-acute concentrations and thus enhance the sensitivity of the embryo toxicity test. Furthermore, unlike the conventional DarT-endpoints, gene expression analysis will provide insights into mechanistic processes underlying toxicity. The 3,4-dichloroaniline (3,4-DCA), which is used as a reference compound in the DarT, was selected as model chemical in this thesis. In a first step, differentially expressed genes in embryos exposed to 3,4-DCA were identified by microarray technology and RT-PCR techniques. Six dose-dependent significant differentially expressed genes were identified. These genes were involved in biotransformation pathways (cyp1a, ahr2), stress response (nrf2, maft, ho-1) and cell cycle control (fzr1). Differential expression upon 3,4-DCA exposure was detected below the LOEC (lowest observed effect concentration = 6.2 µM) of survival or developmental disorders of the embryo test (0.78 µM and above). For the validation of stage specific sensitivity, genes were also analysed in post-hatched stages. Extension of exposure to post-hatched stages resulted in a differential expression at lower concentrations as for the embryonic stages, indicating an improved sensitivity due to stage-specific sensitivity or exposure time. To confirm the adaptive function of the 3,4-DCA-sensitive genes, embryonic mRNA abundance was experimentally manipulated by knock down and overexpression. By injection of sense (mRNA) or antisense (siRNA) RNA in one-cell-stages of embryos, the transcript levels of genes were transiently enhanced or repressed in embryos exposed to 3,4-DCA. mRNA injection of the genes cyp1a, ho-1 and nrf2 reduced the number of embryos with 3,4-DCA-induced malformations. In contrast, siRNA injections for the same genes led to an increase in the severity and frequency of developmental disorders. The results clearly indicate the adaptive functions of the investigated genes or their corresponding proteins. This study demonstrates that the analysis of chemical-sensitive gene expression shows the potential to increase the sensitivity of conventional toxicity tests. The analysis of gene expression also provides additional mechanistic information for toxic action, e.g. in the presented study, the involvement of Ah-receptor regulated pathways as an adaptive response. Furthermore, the presented data indicate that functional manipulations, using mRNA and siRNA-injection, are suitable to evaluate the role of differentially expressed genes for toxicity.

In the European Union an environmental risk assessment is required for the registration of new chemicals, biocides, pesticides and pharmaceuticals. In order to avoid the release of potential hazardous substances, various ecotoxicity tests are performed, including acute and chronic fish tests. As a consequence of the new program of the European Union “Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals” (REACH) the number of animal experiments for environmental risk assessment is expected to increase remarkably within the next years. On the other hand there is a strong societal demand for reducing the number of animal tests by using alternative in vitro models. According to EU directives, investigations using non-human vertebrate embryos are considered pain free in vitro methods and are therefore accepted as alternatives to animal experiments. For the acute fish test, the Danio rerio embryo test (DarT) has been established as a replacement method and included in national regulations at least for waste water (German Waste Water Dues Law). However, no alternatives for chronic fish tests are currently available. The overall goal of this thesis was to work towards such a replacement by extending DarT zu Gene-DarT. Toxicants will initially interact at the molecular level with consequences for physiology, fitness and survival. The analysis of gene expression patterns may unravel elements of these molecular events before any phenotypic changes are visible. The hypothesis of this thesis therefore was that chemical-sensitive genes in embryos exposed in a conventional DarT may indicate toxic impact of substances at sub-acute concentrations and thus enhance the sensitivity of the embryo toxicity test. Furthermore, unlike the conventional DarT-endpoints, gene expression analysis will provide insights into mechanistic processes underlying toxicity. The 3,4-dichloroaniline (3,4-DCA), which is used as a reference compound in the DarT, was selected as model chemical in this thesis. In a first step, differentially expressed genes in embryos exposed to 3,4-DCA were identified by microarray technology and RT-PCR techniques. Six dose-dependent significant differentially expressed genes were identified. These genes were involved in biotransformation pathways (cyp1a, ahr2), stress response (nrf2, maft, ho-1) and cell cycle control (fzr1). Differential expression upon 3,4-DCA exposure was detected below the LOEC (lowest observed effect concentration = 6.2 µM) of survival or developmental disorders of the embryo test (0.78 µM and above). For the validation of stage specific sensitivity, genes were also analysed in post-hatched stages. Extension of exposure to post-hatched stages resulted in a differential expression at lower concentrations as for the embryonic stages, indicating an improved sensitivity due to stage-specific sensitivity or exposure time. To confirm the adaptive function of the 3,4-DCA-sensitive genes, embryonic mRNA abundance was experimentally manipulated by knock down and overexpression. By injection of sense (mRNA) or antisense (siRNA) RNA in one-cell-stages of embryos, the transcript levels of genes were transiently enhanced or repressed in embryos exposed to 3,4-DCA. mRNA injection of the genes cyp1a, ho-1 and nrf2 reduced the number of embryos with 3,4-DCA-induced malformations. In contrast, siRNA injections for the same genes led to an increase in the severity and frequency of developmental disorders. The results clearly indicate the adaptive functions of the investigated genes or their corresponding proteins. This study demonstrates that the analysis of chemical-sensitive gene expression shows the potential to increase the sensitivity of conventional toxicity tests. The analysis of gene expression also provides additional mechanistic information for toxic action, e.g. in the presented study, the involvement of Ah-receptor regulated pathways as an adaptive response. Furthermore, the presented data indicate that functional manipulations, using mRNA and siRNA-injection, are suitable to evaluate the role of differentially expressed genes for toxicity.

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Die vorliegende Dissertation beschreibt die Erarbeitung anwendbarer Methoden zum Aufbau Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-basierter DNA-Mikroarrays. Es werden die Beziehungen zwischen allen Teilschritten der Entwicklung eines DNA-Biosensors aufgezeigt. Die Sondendichte auf der Sensoroberfläche ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines DNA-Chips. In dieser Arbeit werden thiolmodifizierte Sonden und solche mit Phosphorothioatgruppen verwendet und verglichen. Der Aufbau selbstorganisierender Monoschichten, bestehend aus Mercaptoalkoholen und thiolmodifizierten DNA-Einzelsträngen, wird mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Es werden bis zu 180 Spots auf einem SPR-Chip aufgetragen. Eine weitere Erhöhung der Anzahl an Sondenorten pro Chip wird mit einer hydrophil/hydrophoben Strukturierung der Arrayoberfläche erreicht. Dies erfolgt durch das Mikrokontaktdrucken mit Alkanthiolen. Die selektiven Hybridisierungen der Produkte der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) werden bei SPR-Messungen auf DNA-Mikroarrays detektiert. Eine schnelle markierungsfreie Echtzeitanalyse wird bei Hybridisierungen im mikrofluidischen Kanal innerhalb weniger Minuten erzielt. Die Anwendbarkeit dieser Methoden wurde anhand der Mutationsanalyse der Fusionsgene AML1-ETO und CBFB-MYH11 bei der akuten myeloischen Leukämie bestätigt. Die Hybridisierungseffizienz auf DNA-Mikroarrays hängt stark von der Sodensequenz ab. SPR-Experimente zeigen, dass die Ausbildung der Haarnadelstrukturen die Ursache dafür ist. Ein Computerprogramm (EGNAS) auf Grundlage eines neu entwickelten Nucleobasen-Sequenzentwurf-Algorithmus, ermöglicht die Generierung vollständiger Sequenzsätze. Die Intra- und Interstrangeigenschaften dieser Sequenzen können kontrolliert werden, um Haarnadelstrukturen und Kreuzhybridisierungen zu vermeiden. Dadurch können optimierte Sequenzen für Anwendungen auf DNA-Chips oder in der DNA-Nanobiotechnologie entworfen werden.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet umfangreiche histologische Untersuchungen an verschiedenen Tumoren bezüglich ihrer Infiltration durch Makrophagen-Subpopulationen, Granulozyten und Lymphozyten. Hierfür wurden 18 Gewebe-Mikroarrays mit jeweils 200 - 300 Tumorstanzen aus insgesamt 27 Organen des Gastrointestinaltraktes, des Urogenitaltraktes, des Respirationssystems und des endokrinen Systems angefertigt. Da alle Proben mit derselben Technik (Gewebe-Mikroarrays, Immunhiostochemie) ausgewertet wurden, bestand nun erstmalig die Möglichkeit eines direkten Vergleiches zwischen den verschiedenen Tumoren unterschiedlicher Organe. Für die immunhistochemischen Untersuchungen wurden fünf verschiedene Antikörper (anti-KP1, anti-PG-M1, anti-MRP8, anti-MRP14, anti-MRP8/14) eingesetzt. Die Antikörper gegen die Epitope PG-M1 und KP1 gelten als Pan-Makrophagen-Marker. Die Antikörper anti-MRP8, anti-MRP14 und anti-MRP8/14 gelten als Marker für entzündlich aktivierte Makrophagen. Diese Makrophagen wurden in einen aktiven inflammatorischen Typ (MRP14+, MRP8/14+), der proinflammatorische Zytokine wie TNF-a und Sauerstoffradikale bildet, und in einen chronisch inflammatorischen Typ (MRP8+) eingeteilt. Die Formation des MRP8/14-Heterodimers korreliert mit der zellulären Aktivierung wie z. B. mit der Aktivierung der NADPH-Oxidase. Es wurde beschrieben, dass diese Makrophagen auf Grund ihrer Eigenschaften eventuell die Tumorzellproliferation inhibieren und zytotoxische Wirkungen auf Tumorzellen ausüben können. Für die verschiedenen Tumorgewebe wurden höhere Makrophagendichten im Vergleich zum Normalgewebe und eine vergleichsweise geringe Dichte an MRP+ Makrophagen sowie signifikante Korrelationen zwischen den verschiedenen Makrophagen-Subpopulationen festgestellt. Die Dichte der Lymphozyten korrelierte negativ mit steigendem Tumorzellanteil und mit fortgeschrittenem Tumorstadium. Die Abnahme der Lymphozyten (Gastrointestinal- und Respirationstrakt) im Tumorgewebe im Vergleich zum tumorfreien Gewebe sowie die geringe Anzahl der potenziell tumoriziden MRP8/14+ Makrophagen lässt vermuten, dass die Immunantwort gegen den Tumor unterdrückt wird. Die positive Assoziation zwischen Makrophagen und Lymphozyten weist jedoch darauf hin, dass Makrophagen nicht am Rückgang der Lymphozyten beteiligt sind . Eine Korrelation der Makrophagen mit klinisch relevanten Parametern (pT-Stadium, UICC-Stadium, Lymphknotenmetastasen) zeigten ein voneinander abweichendes Infiltrationsmuster der CD68+ und MRP+ Makrophagen, was auf unterschiedliche Funktionen hinweist. Ferner liegen zahlreichen funktionelle Untersuchungsergebnisse anderer Arbeitsgruppen vor, welche darauf hinweisen, dass Makrophagen durch Hypoxie angezogen werden und im hypoxischen Tumorgewebe schließlich an der Neubildung von Blut- und Lymphgefäßen beteiligt sind. Um einen möglichen Zusammenhang zu zeigen, wurde mit den Antikörpern anti-CD31 und anti-CD34 die Gefäßdichte in Tumoren untersucht. Es zeigten sich zahlreiche positive Korrelationen zwischen Gefäßen und Makrophagen, jedoch konnte in den tumorfreien Geweben kein Zusammenhang zwischen beiden Größen gefunden werden. Das Vorkommen größerer Makrophagendichten in Tumoren mit wenig Nekrose als in Tumoren ohne Nekrose, die positive Korrelation zwischen der Anzahl der Gefäße und der Zahl der Makrophagen in Tumoren und die Unabhängigkeit von Makrophagen und Gefäßen im tumorfreien Gewebe legt die Vermutung nahe, dass TAM die Angiogenese begünstigen. Trotz vieler ähnlicher Charakteristika zwischen den Tumoren unterschiedlichen Ursprungsgewebes wurden auch Unterschiede festgestellt, die besonders die Anzahl der Makrophagen-Subpopulationen betreffen. Weitere Studien zur Aufklärung der Funktion unterschiedlicher Makrophagen-Subpopulationen (z. B. Immunsuppression, Neoangiogenese) sind notwendig, um deren Relevanz für das Tumorwachstum und die Tumorprogression aufzuklären.