Die Basis für den therapeutischen Einsatz elektrischer Felder bei der Behandlung von Knochenbrüchen liegt in der Existenz von belastungsabhängigen elektrischen Potentialen im Knochen. Die zellulären Wirkungsmechanismen sind jedoch unverstanden. Um zu untersuchen, ob und wie elektrische Felder Wachstum und Differenzierung von Knochenzellen beeinflussen, wurden humane Osteosarcomazellen (HOS TE85) und aus Minischweinen isolierte primäre Osteoblasten mit elektrischen Feldern im Frequenzbereich von 0.1 Hz bis 100 kHz befeldet und verschiedene zelluläre Parameter zeitabhängig gemessen. Das elektrische Feld wurde mittels platinierten Platinelektroden appliziert, um ausreichend hohe Feldstärken bei gleichzeitig guter Kontrolle über die im Gewebe erzeugte Wellenform zu gewährleisten. Beim Einsatz von Elektroden müssen jedoch elektrochemische Reaktionen an der Elektrodenoberfläche berücksichtigt werden. Daher wurden verschiedene Elektroden für die in vivo- und in vitro-Stimulation mit elektrischen und numerischen Methoden untersucht und verglichen. Das führte einerseits zur Erarbeitung verschiedener Kriterien zur Auswahl geeigneter Elektrodenmaterialien und -geometrien. Andererseits konnten detaillierte Angaben zur effektiven Feldstärke und Feldverlauf in der Zellebene sowie zu elektrochemisch bedingten Nebenwirkungen gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass elektrische Felder das Signalsystem und den Stoffwechsel von Knochenzellen im gesamten untersuchten Frequenzbereich beeinflussen. Die Richtung des Nettoeffekts war jedoch im oberen und im unteren Frequenzbereich unterschiedlich. Im Frequenzbereich über 1 kHz fanden wir immer eine Erhöhung des Wachstums und der Konzentration der "second messenger" und eine Herabsetzung der Konzentration der reaktiven Sauerstoffverbindungen (ROS). Bei Frequenzen unter 1 kHz wurde dagegen eine Erhöhung der Aktivität der alkalischen Phosphatase und des oxidativen Stress beobachtet. Signifikante Effekte traten jedoch nur bei Feldstärken oberhalb 100 V/m auf. Hinweise auf bevorzugte Frequenzen oder Wellenformen, die für "Fenstereffekte" sprechen würden, konnten nicht gefunden werden. Da alle zellulären Parameter an einem einheitlichen System gemessen wurden, ließen sich die Ergebnisse in ein Modell der feldinduzierten Signaltransduktion integrieren. Prinzipiell muss man von einem gemeinsamen Effekt mehrerer Signalwege ausgehen. Dabei kann die Erhöhung der intrazellulären Kalziumkonzentration als ein genereller Mechanismus der Feldwirkung angesehen werden. Dafür sind sowohl der Influx als auch die Freisetzung von Kalzium aus intrazellulären Speichern verantwortlich. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass auch cGMP und Prostaglandin E2, jedoch nicht cAMP an der Vermittlung der Feldwirkung beteiligt ist. Außerdem wurde die Translokation der mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK) beeinflusst. Trotzdem sind die beobachteten Effekte relativ schwach im Vergleich zu publizierten klinischen Erfolgen. Es muss daher in vivo Verstärkungsmechanismen geben, die durch Untersuchungen an Zellkulturen nicht erfasst werden können. / The therapeutic use of electric fields in the treatment bone fracture healing is based on the existence of different load dependent electric potentials in bone. However, the cellular mechanisms of field action are still not understood. We investigated the effect of electric fields on proliferation and differentiation of human osteosarcoma cells (HOS TE85) and primary osteoblasts isolated from mini pigs. The cells were exposed to electric fields (0.1 Hz - 100 kHz) and various cellular parameters were measured. The field was applied using platinized platinum electrodes ensuring sufficiently strong electric fields and a well controlled wave form in the tissue. Nevertheless, in this case electrochemical reactions which occur at the electrode surface have to be taken into account. That’s why various electrodes for in vivo and in vitro stimulation are characterized by electrical and numerical methods leading not only to criteria for choosing electrode materials and geometries, but also providing detailed knowledge about the electric field induced in the tissue and electrochemically induced side effects. We found that cellular signaling as well as proliferation and differentiation of bone cells are influenced by electric fields in the whole investigated frequency range. Proliferation and the second messenger concentrations are increased at frequencies above 1 kHz, whereas below 1 kHz the alkaline phosphatase activity is increased. Significant effects were found only for electric fields above 100 V/m, but we could not find any hints on preferred frequencies or wave forms ruling out "window effects". Because all cellular parameters were measured within one experimental system, the results can be summarized in a signal transduction model for the action of electric fields. Generally, a common action of multiple signaling pathways has to be assumed. The increase of the intracellular calcium concentration can be considered as a general mechanism of field action. This increase is caused by calcium release from intracellular calcium stores as well as influx of extracellular calcium. Additionally, the concentration of cGMP and prostaglandin E2, but not that of cAMP is increased by the electric field. Furthermore, the translocation of the mitogen activated protein kinase (MAPK) is influenced. Nevertheless, the field effects found are weak compared to those published in clinical studies. We suppose that there are amplifying mechanisms in vivo which could not be seen during in vitro investigations.

Ultraschnelle Energietransferprozesse zwischen den Anregungszuständen organischer Pigmentmoleküle in photosynthetischen Lichtsammelkomplexen gehören zu den schnellsten bisher untersuchten biologischen Ereignissen. Diese Vorgänge wurden insbesondere auch für den Haupt-Antennenkomplex der höheren Pflanzen (LHCII) beobachtet, der mehr als die Hälfte des pflanzlichen Chlorophylls (Chl) bindet (5 Chl b und 7 Chl a pro Monomer). Offenbar ist dieser Pigment-Protein-Komplex entscheidend für Regulationsmechanismen verantwortlich, die eine schnelle Adaptation des Photosyntheseapparats an wechselnde Licht- bedingungen ermöglichen. Die Struktur von LHCII ist mit einer Auflösung von 3.4 Å bekannt und erlaubt (im Prinzip) die Berechnung des Anregungsenergietransfers auf Basis eines Förster-Mechanismus. In diesem Zusammenhang gibt es jedoch noch zahlreiche ungeklärte Fragen, die vor allem die Orientierung der Pigmente zueinander sowie deren mögliche starke (exzitonische) Wechselwirkung betreffen. Allerdings sind konventionelle spektroskopische Methoden nicht geeignet, diese Merkmale ausreichend aufzuklären. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit untersucht, inwieweit neuere laserspektroskopische Methoden wie die nichtlineare Polarisationsspektroskopie in der Frequenzdomäne (NLPF) zur Ermittlung unbekannter Parameter beitragen können. Anfänglich ergaben sich besonders Fragen der Anwendbarkeit der NLPF auf solche hoch- komplexen Untersuchungsobjekte sowie der Signifikanz eventuell erzielbarer Ergebnisse. Aufbauend auf einer parallel verfaßten Dissertation zu theoretischen Aspekten der NLPF- Methode [1] wurde daher ein vereinfachtes System modelliert, das die Heterogenität der individuellen Chl(e) im LHCII widerspiegelt. Die gewonnenen Resultate ließen vermuten, daß die reine Simulation von NLPF-Spektren nicht ausreicht, um eindeutige Aussagen über die Molekülparameter zu gewinnen. Um den benötigten zusätzlichen Erkenntnisgewinn zu erreichen, wurden daher Paralleluntersuchungen mit anderen laserspektroskopischen Methoden (nichtlineare Absorption mit fs-Pulsen, intensitätsabhängige NLPF, Einzelmolekülspektroskopie, Tieftemperatur-NLPF) sowie mit in vitro rekonstituierten Protein-Mutanten durchgeführt. Als Ergebnis konnte die Subbstruktur der Qy- Absorptionsbande der ersten angeregten Zustände der Chl(e) für LHCII ausreichend beschrieben werden. Darüber hinaus ergaben sich Aussagen zu exzitonischen Wechselwirkungen zwischen bestimmten Chl(en), die unter anderem Einfluß auf das Energie- transferverhalten haben. Diese zusätzlichen Untersuchungen erlaubten letztendlich eine Modellierung der bei Raum- temperatur an LHCII gemessenen NLPF-Spektren. Neben dem dabei implizit gewonnenen Verständnis der nichtlinearen optischen Eigenschaften im Bereich der Qy-Absorption ließen sich so Aussagen über bestimmte Modellparameter, besonders über die Orientierung von Übergangsdipolmomenten, ableiten. Abschließend wurde die Auswirkung der Erkenntnisse auf das Verständnis der Struktur-Funktionsbeziehungen für intra- und inter-komplexen Energietransfer erläutert. / Ultra-fast excitation energy transfer (EET) between excited states of organic pigment molecules in photosynthetic antenna complexes belongs to the fastest observed biological processes. Such EET phenomena has been studied to a large extent for the main light- harvesting complex of the higher plants (LHCII), which appears to play an exceptional role for the regulatory function (i.e. light adaptation) of the plant photosynthetic apparatus. The structure of this pigment-protein complex harboring more than 50 % of the total chlorophyll (Chl) content is known with 3.4 Å resolution and reveals the binding sites of 5 Chl b and 7 Chl a per monomeric unit. Based on this structure analysis, EET calculations are (in principle) available on the molecular level under the assumption of Förster-type transfer. However, several molecular features like mutual pigment orientations and electronic interactions between their transition dipoles are still rather uncertain. Since conventional spectroscopic techniques can hardly reveal the corresponding parameters, this work was aimed at the evaluation of newly introduced laser spectroscopic techniques with respect to these questions. In the beginning, suitability and significance of the method when applied to highly complicated structures like pigment-protein complexes were studied by modeling heterogeneous, LHCII-like absorption systems in NLPF experiments. Based on recent improvements in the NLPF theory by a parallel theoretical investigation [1], these simulations clarified the sensitivity of the NLPF method on numerous physical parameters. As a major consequence, unambiguous evaluations of NLPF measurements appear to require substantial additional information about the investigated system. Accordingly, several supplementary methods like nonlinear absorption (using fs-pulses), intensity-dependent NLPF, single- molecule spectroscopy, and NLPF at low temperatures were employed. These investigations revealed unique information about excitonic interaction between certain Chl(s), including implications for the overall EET scheme. The sub-structure model for the Qy-absorption region of LHCII was further essentially improved by the analysis of reconstituted proteins with selectively modified Chl binding residues in the amino-acid sequence. The sum of all complementary investigations allowed finally the evaluation of room temperature NLPF measurements of trimeric LHCII. Due to the unique selectivity of the spectra to individual transition-dipole directions, several orientation parameters have been obtained. Under this point of view, the NLPF method has indeed revealed a high potential as compared to conventional techniques like circular dichroism spectroscopy. Moreover, the understanding of nonlinear phenomena in the Qy-absorption region of LHCII as a consequence of molecular interaction provides further knowledge for the application of other nonlinear optical experiments. Concluding, implications of the obtained results for the structure-function relationship of intra- and inter-complex EET were elucidated.

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