Plasma membrane of T cells is abundant in diverse receptors and other molecules orchestrating immune responses. Numerous studies demonstrate that the localisation of proteins in the cell is non-random and that mislocalisation either in the context of plasma membrane at nanoscale or with respect to the cell interior can lead to the protein malfunction and subsequent aberrant T- cell response. In my first Ph.D. project we focused mainly on the role of the transmembrane domain length and amino acid composition, proximal sequences and the presence or absence of palmitoylation on the localisation of transmembrane adaptor proteins LAT, PAG and NTAL in T cells. We showed that plasma membrane localisation of PAG and NTAL is controlled by the amino acid composition of their TMD and is palmitoylation independent. We propose that NTAL localisation to the plasma membrane is, despite its suboptimal length, facilitated by the electrochemical asymmetry of its TMD. Among transmembrane adaptor proteins, LAT was the most interesting one. Dependency of LAT plasma membrane localisation on palmitoylation in combination with unusual amino acid composition of its TMD led us to investigate it in a separate project. My first author Ph.D. project was thus to elucidate the role of highly conserved helix-breaking amino acids,...

This thesis deals with the topic of 3D image processing for digital holographic microscopy - numerical refocusing. This method allows to perform mathematically accurate defocus correction on image of a sample captured away from the sample plane and it was applicable only for images that were made made using coherent illumination source. It has been generalized to a form in which it is also applicable to devices that use incoherent (non-monochromatic or extended) illumination sources. Another presented achievement concerns hologram processing. The advanced hologram processing method enables obtaining more data mainly concerning precision of quantities from one hologram — normally, one would have to capture multiple holograms to get those. Both methods have been verified experimentally.

Thema dieser Thesis ist die Analyse sekretorischer Vesikelpools auf Ultrastrukturebene in unterschiedlichen biologischen Systemen. Der erste und zweite Teil dieser Arbeit fokussiert sich auf die Analyse synaptischer Vesikelpools in neuromuskulären Endplatten (NME) im Modellorganismus Caenorhabditis elegans. Dazu wurde Hochdruckgefrierung und Gefriersubstitution angewandt, um eine unverzügliche Immobilisation der Nematoden und somit eine Fixierung im nahezu nativen Zustand zu gewährleisten. Anschließend wurden dreidimensionale Aufnahmen der NME mittels Elektronentomographie erstellt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden junge adulte, wildtypische C. elegans Hermaphroditen mit Septin-Mutanten verglichen. Um eine umfassende Analyse mit hoher Stichprobenzahl zu ermöglichen und eine automatisierte Lösung für ähnliche Untersuchungen von Vesikelpools bereit zu stellen wurde eine Software namens 3D ART VeSElecT zur automatisierten Vesikelpoolanalyse entwickelt. Die Software besteht aus zwei Makros für ImageJ, eines für die Registrierung der Vesikel und eines zur Charakterisierung. Diese Trennung in zwei separate Schritte ermöglicht einen manuellen Verbesserungsschritt zum Entfernen falsch positiver Vesikel. Durch einen Vergleich mit manuell ausgewerteten Daten neuromuskulärer Endplatten von larvalen Stadien des Modellorganismus Zebrafisch (Danio rerio) konnte erfolgreich die Funktionalität der Software bewiesen werden. Die Analyse der neuromuskulären Endplatten in C. elegans ergab kleinere synaptische Vesikel und dichtere Vesikelpools in den Septin-Mutanten verglichen mit Wildtypen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden neuromuskulärer Endplatten junger adulter C. elegans Hermaphroditen mit Dauerlarven verglichen. Das Dauerlarvenstadium ist ein spezielles Stadium, welches durch widrige Umweltbedingungen induziert wird und in dem C. elegans über mehrere Monate ohne Nahrungsaufnahme überleben kann. Da hier der Vergleich der Abundanz zweier Vesikelarten, der „clear-core“-Vesikel (CCV) und der „dense-core“-Vesikel (DCV), im Fokus stand wurde eine Erweiterung von 3D ART VeSElecT entwickelt, die einen „Machine-Learning“-Algorithmus zur automatisierten Klassifikation der Vesikel integriert. Durch die Analyse konnten kleinere Vesikel, eine erhöhte Anzahl von „dense-core“-Vesikeln, sowie eine veränderte Lokalisation der DCV in Dauerlarven festgestellt werden. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde untersucht ob die für synaptische Vesikelpools konzipierte Software auch zur Analyse sekretorischer Vesikel in Thrombozyten geeignet ist. Dazu wurden zweidimensionale und dreidimensionale Aufnahmen am Transmissionselektronenmikroskop erstellt und verglichen. Die Untersuchung ergab, dass hierfür eine neue Methodik entwickelt werden muss, die zwar auf den vorherigen Arbeiten prinzipiell aufbauen kann, aber den besonderen Herausforderungen der Bilderkennung sekretorischer Vesikel aus Thrombozyten gerecht werden muss. / Subject of this thesis was the analysis of the ultrastructure of vesicle pools in various biological systems. The first and second part of this thesis is focused on the analysis of synaptic vesicle pools in neuromuscular junctions in the model organism Caenorhabditis elegans. In order to get access of synaptic vesicle pools in their near-to native state high-pressure freezing and freeze substitution was performed. Subsequently three-dimensional imaging of neuromuscular junctions using electron tomography was performed. In the first part young adult wild-type C. elegans hermaphrodites and septin mutants were compared. To enable extensive analysis and to provide an automated solution for comparable studies, a software called 3D ART VeSElecT for automated vesicle pool analysis, was developed. The software is designed as two macros for ImageJ, one for registration of vesicles and one for characterization. This separation allows for a manual revision step in between to erase false positive particles. Through comparison with manually evaluated data of neuromuscular junctions of larval stages of the model organism zebrafish (Danio rerio), functionality of the software was successfully proved. As a result, analysis of C. elegans neuromuscular junctions revealed smaller synaptic vesicles and more densely packed vesicle pools in septin mutants compared to wild-types. In the second part of this thesis NMJs of young adult C. elegans hermaphrodites were compared with dauer larvae. The dauer larva is a special state that is induced by adverse environmental conditions and enables C. elegans to survive several months without any foot uptake. Aiming for an automated analysis of the ratio of two vesicle types, clear core vesicles (CCVs) and dense core vesicles (DCVs), an extension for 3D ART VeSElecT was developed, integrating a machine-learning classifier. As a result, smaller vesicles and an increased amount of dense core vesicles in dauer larvae were found. In the third part of this thesis the developed software, designed for the analysis of synaptic vesicle pools, was checked for its suitability to recognize secretory vesicles in thrombocytes. Therefore, two-dimensional and three-dimensional transmission electron microscopic images were prepared and compared. The investigation has shown that a new methodology has to be developed which, although able to build on the previous work in principle, must meet the special challenges of image recognition of secretory vesicles from platelets.

Die Small Fiber Neuropathie (SFN) bildet eine Untergruppe der sensiblen Neuropathien, bei der die Aδ- und C-Fasern betroffen sind. Die Patienten berichten v.a. von brennenden Schmerzen und Dysästhesien, seltener auch von autonomen Funktionsstörungen. Bei fehlendem Goldstandard und normalen Nervenleitungsstudien ist die Diagnostik erschwert, da selbst nach Spezialuntersuchungen wie Hautstanzbiopsie und quantitativer sensorischer Testung (QST) viele Patienten trotz typischer Anamnese der Diagnosestellung entgehen. Wir rekrutierten 55 Patienten und 31 gesunde Kontrollen. Nach neurologischer Untersuchung und Ausschluss einer Polyneuropathie mittels Elektroneurographie wurden bei allen Studienteilnehmern Hautstanzbiopsien am Ober- und Unterschenkel zur Ermittlung der intraepidermalen Nervenfaserdichte (IENFD) entnommen sowie eine QST zur Funktionsprüfung der kleinen Nervenfasern durchgeführt. Die Studienteilnehmer wurden zudem mit cornealer confocaler Mikroskopie (CCM) und der Ableitung Schmerz-assoziierter evozierter Potentiale (PREP) untersucht. Zur autonomen Testung erfolgte die Messung der Schweißproduktion mittels quantitativem sudomotorischem Axonreflextest (QSART). Die neurologische Untersuchung zeigte in 55% der Patienten Hinweise auf eine Kleinfaserpathologie. Die distale IENFD war bei 62% der Patienten reduziert, die QST bei 22% der Patienten auffällig. Die PREP Latenzen waren in der Patientengruppe länger als bei den Kontrollen, die Amplituden niedriger. Bei der cornealen Innervation zeigte sich eine Reduktion der Nervenfaserdichte, Nervenfaserlänge und Nervenastdichte. Die in QSART gemessenen Parameter zeigten sich zu 86% unauffällig. Während nach klinischer Untersuchung, Hautbiopsie und QST in 53% der Fälle in 2 von 3 Untersuchungen eine Pathologie der kleinen Fasern festgestellt werden konnte, stieg die Rate bei zusätzlicher Anwendung von PREP und CCM auf 80% (ohne Berücksichtigung von QST). Zusammenfassend sollten die klinische Untersuchung und die Hautstanzbiopsie bei allen Patienten mit Verdacht auf SFN erfolgen. PREP und CCM sind unter den verfügbaren zusätzlichen Untersuchungen diagnostisch am wertvollsten. Wichtig ist allerdings, dass bei fehlendem Goldstandard eine SFN auch bei unauffälligen Tests nicht ausgeschlossen werden kann. Zusätzlich können die Mikroneurographie und die genetische Analyse wertvolle Hinweise auf eine Kleinfaserfunktionsstörung und deren Pathophysiologie geben. / Small fiber neuropathy (SFN) forms a subgroup of sensory neuropathies, in which the Aδ- and C-fibers are impaired. Patients mainly report burning pain and dysesthesia, less frequently also autonomic dysfunctions. In absence of a diagnostic gold standard and under normal nerve conduction studies, the diagnosis is difficult. Even after special examinations such as skin punch biopsy and quantitative sensory testing (QST), many patients are not diagnosed despite a typical pain history. We prospectively recruited 55 patients and 31 healthy controls in our study. After neurological examination and exclusion of a polyneuropathy by means of neurological examination and electroneurography, skin punch biopsies were taken from the upper and lower leg of all study participants to determine the intraepidermal nerve fiber density (IENFD). QST was performed to investigate the function of the small nerve fibers. Study participants were also examined with corneal confocal microscopy (CCM) and derivation of pain-related evoked potentials (PREP). For autonomous testing, the sweat production was measured using quantitative sudomotor axon reflex testing (QSART). Neurological examination showed hints for small fiber pathology in 55% of patients. The distal IENFD was reduced in 62% of patients, while QST was abnormal in 22% of patients. The PREP latencies were longer in the patient group than in the controls, the amplitudes were smaller. Corneal innervation showed a reduction of nerve fiber density, nerve fiber length, and nerve branch density in patients compared to controls. The parameters measured in QSART were 86% unremarkable. While after clinical examination, skin biopsy, and QST a pathology of the small fibers could be detected in 53% of the cases in 2 of 3 examinations, the rate increased to 80% with additional application of PREP and CCM (without consideration of QST). In summary, neurological examination should be performed together with skin biopsy in all patients with suspected SFN. PREP and CCM are diagnostically most valuable among the available additional examinations. However, it is important to note that in the absence of a gold standard, SFN cannot be excluded even with normal test results. In addition, microneurography and genetic analysis can provide valuable information about a small fiber dysfunction and its pathophysiology.

Nanoparticles (NP) are currently a progressive area of scientific research. The possibility of synthesizing them according to the required parameters opens up possibilities for their wide use also in biomedicine. One example is a nanoparticle that can detect cellular processes, such as pH. We already know that the pH of healthy and cancer cells differs by the opposite gradient on the intracellular and extracellular side of the membrane. In this context, this work deals with the study of fluorescent silicon nanoparticles (SiNP) tested on a human keratinocyte cell line from a healthy donor (HaCaT) and from skin cancer donor (A431). Once found that even the highest concentrations of SiNP used are not cytotoxic, they can be further studied by fluorescence, confocal and super-resolution microscopy. In order to assess the pH detection properties of these SiNPs, a method for measuring intracellular pH with a fluorescent raciometric probe SNARF-1 using fluorescence spectroscopy and flow cytometry was introduced. Since the pH values of the intracellular environment are closely related to cellular metabolism, the metabolism of A431 and HaCaT cells was characterized and compared. To do this, methods for measuring analog glucose consumption (2-NBDG) and another new method for measuring real-time metabolism...

Seit der Erfindung des Mikroskops haben mikroskopische Bilder zu neuen Erkenntnissen in der biomedizinischen Forschung geführt. Moderne Mikroskope sind in der Lage große Bilddatensätze von zunehmender Komplexität zu erzeugen, was eine manuelle Analyse ineffizient, wenn nicht gar undurchführbar macht. In dieser Arbeit stelle ich zwei neue Methoden für die automatische Bildanalyse von Mikroskopiedaten vor. 1. Die Fourier-Ringkorrelations-basierte Qualitätsschätzung (FRC-QE), ist eine neue Metrik für die automatisierte Bildqualitätsschätzung von 3D-Fluoreszenzmikroskopieaufnahmen, hier getestet am Beispiel von menschlichen Hirnorganoiden. FRC-QE automatisiert die Qualitätskontrolle, eine Aufgabe, die häufig manuell durchgeführt wird und somit einen Engpass bei der Skalierung bildbasierter Experimente auf tausend oder mehr Bilder darstellt. Die Methode kann die Clearing-Effizienz über experimentelle Replikate und Protokolle quantifizieren. Sie ist auf verschiedene Mikroskopiemodelle übertragbar und lässt sich effizient auf Tausende von Bildern skalieren. 2. Der von mir entwickelte "WormObserver" ermöglicht Langzeitaufnahmen, verarbeitet automatisch die aufgenommenen Videos und erleichtert die Datenintegration über Tausende von Individuen hinweg, um Verhaltensmuster zu entschlüsseln. Darauf aufbauend, habe ich mich auf ein Beispiel für die Plastizität des Nervensystems konzentriert: Die Verhaltenstrajektorie des "C. elegans Dauer Exits". Um den Entscheidungsmechanismus beim Verlassen des Dauer Larvenstadiums zu charakterisieren, habe ich Zeitrafferdaten von Larvenpopulationen in verschiedenen Umgebungen erfasst, analysiert und wichtige Entscheidungspunkte identifiziert. Indem ich die Verhaltensanpassung mit der Genexpression kontextualisiert habe, konnte ich neue Erkenntnisse gewinnen, wie ein sich entwickelndes Nervensystem externe Stimuli robust integrieren und das Verhalten des Organismus an neue Umgebungen anpassen kann. / Since the invention of the microscope, microscopy images have generated new insights in biomedical research. While in the past these images were used for illustrative purposes, state-of-the-art microscopy images provide quantitative measurements. Moreover, modern microscopes are capable of autonomously producing large image datasets of increasing complexity, rendering manual analysis inefficient if not infeasible. Thus, extracting biologically relevant information from these datasets requires computational analysis using appropriate algorithms and software. While some analysis methods generalize to different microscope set-ups and types of images, others need to be well tailored to a particular problem. In this work, I present two new methods for automated image analysis of microscopy data. First, Fourier ring correlation-based quality estimation (FRC-QE) is a new metric for automated image quality estimation of 3D fluorescence microscopy acquisitions. I benchmarked the method in the context of evaluating clearing efficiency in human brain organoids. FRC-QE automates image quality control, a task that is often performed manually and thereby represents a bottleneck when scaling image-based experiments to thousand or more images. The method can estimate clearing efficiency across experimental replicates and clearing protocols. It generalizes to different microscopy modalities and efficiently scales to thousands of images. Second, I have developed a new method for behavioral imaging of C. elegans larvae. The “WormObserver” enables long-term imaging (>12h, >80k images/experiment), automatically processes the acquired videos a

The main objective of this thesis was to create an educational website aimed at soil arthropods. It can be used primarily by teachers of biology and ecology, lecturers of extracurricular science education or by the students who are interested in this issue. This photographic atlas of soil arthropods consists of my own micro images obtained by the use of light and scanning electron microscope. The micro images are accompanied by text to each group of soil arthropods, which is divided into sections containing information about the systematic classification, anatomy and morphology, biology and importance, eventually representatives of the group. The atlas is accompanied by other materials usable in the classroom, such as didactic test, didactic game and proposals for group work, worksheet, field and laboratory work or educational presentations focused on soil arthropods. These materials can be downloaded from the website, along with the entire atlas of soil arthropods. The atlas is available on the following address: https://sites.google.com/site/pudniclenovci/. The review of the literature deals with the importance of arthropods in the soil and their mutual interactions. Then I describe the methods of study of arthropods (sampling, sample preparation for light and scanning electron microscopy and...

Es wird ein Verfahren zur lokalisierten elektrochemischen Abscheidung metallischer Strukturen aus Kapillarsonden vorgestellt. Der experimentelle Aufbau, die Herstellung der Sonden, das Arbeiten im Nahfeld der Probe (Scherkraft-Abstandsdetektion)sowie die verschiedenen Beschaltungmöglichkeiten der elektrochemischen Zelle werden ausführlich beschrieben. Ergänzend zu den experimentellen Arbeiten werden einerseits numerische Simulationen gezeigt, die zur Veranschaulichung der Potentialverteilung in der Apexregion dienen und qualitativ beschreiben, wie sich das Schichtdickenprofil der abgeschiedenen Strukturen mit den einstellbaren Parametern (Elektrodenpotentiale, Spitze-Probe-Abstand) variieren läßt. Andererseits werden die verschiedenen Beschaltungsmöglichkeiten der Zelle anhand von Schaltungssimulationen verglichen und so die Wahl des günstigsten Arbeitspunktes für die in den Experimenten verwendete (bi)-potentiostatische Abscheidung diskutiert. Mit dieser Anordnung wurden lokalisiert Cluster in einer porösen Aluminiumoxidmembran deponiert und anschließend abgebildet. In weiteren Strukturierungsversuchen wurden Kupfer bzw. Gold lokalisiert elektrochemisch auf ITO abgeschieden, wobei das Schichtwachstum simultan optisch in Transmission beobachtet wurde. Es werden u.a. Strukturen erzeugt, deren laterale Abmessungen kleiner als der Kapillardurchmesser sind (Fokussierung, max. Verhältnis 8:1). Die derzeit kleinsten elektrochemisch erzeugbaren Strukturen haben eine laterale Ausdehnung von ca. 5 Mikrometern. / A method for the localized electrochemical deposition of metal structures using capillary tips is presented. The experimental set-up, the tip preparation, the distance detection in near-field operation (shear-force detection), as well as the different types of circuiting of the electrochemical cell are described in detail. In addition to the experimental work, numerical simulations for the qualitative visualization of the potential distribution around the apex region show, how the films thickness profile can be adjusted with the variable parameters (electrode voltages, tip-sample distance). Circuit simulations of the electrochemical cell allow to pre-estimate the optimum working conditions for the used (bi)-potentiostatic electrode set-up. With this method, clusters have been deposited in a thin film of porous alumin oxide and imaged in shear-force mode. Gold and copper structures have been deposited on ITO, while the film growth was observed optically. The lateral dimension of the deposited structures can be smaller than the inner diameter of the capillaries (maximum focus: 8:1). The smallest structures produced in this work have lateral dimensions of 5 micrometers.

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Preparation of biological samples for transmission electron microscopy is not a trivial task. The samples must withstand a vacuum environment present inside a microscope, and it is often necessary to use non-physiological procedures for their processing. These procedures usually involve aldehyde-based fixation, replacing water with alcohol (i.e. dehydration/substitution), and embedding into a resin, which creates support for the subsequent preparation of thin sections that can be placed into the microscope. In the last decade, the method of cryo-fixation (vitrification) using ultra-fast high-pressure freezing followed by freeze substitution and low-temperature resin embedding gained a dominant position in the cell biology research. In this way, a range of biological samples with a thicknesses up to several hundreds of micrometers was successfully vitrified to a state that was closely related to their in vivo structures. The cryo-fixation of isolated biological objects (with a limited thickness up to several micrometers) is possible in a thin layer of vitrified water by plunge freezing at ambient pressure. In combination with electron cryo-microscopy, this method has become the most effective and fundamental principle for the high-resolution studies and image analysis of fully hydrated samples...