Toll-like receptors (TLRs) are the main components of the innate immunity. Pathogen-activated TLRs trigger a cytoplasmic signaling cascade through adaptor proteins, with the first being the TIR domain-containing adaptor protein (TIRAP). TIRAP contains a TIR domain, which associates with TLRs and other adaptor proteins; and a N-terminal phosphoinositide-binding motif (PBM) that mediates the membrane recruitment of TIRAP. Upon ligand activation, TLRs are recruited to the phosphoinositide (PIP)-enriched region in the membrane, where TIRAP recruits other adaptors to the membrane to activate TLR signaling pathway. To investigate the mechanism of membrane targeting of TIRAP and the basis for its regulation, I functionally and structurally characterized TIRAP and its PBM using biophysical approaches. I show that TIRAP PBM adopts helical structural in dodecylphosphocholine (DPC) micelles and other membrane mimics. NMR studies reveal that TIRAP PBM binds PIPs following a fast exchange regime with a moderate affinity through two conserved basic termini. Mutation of these two basic regions abolishes PIPs binding without distorting the helical structure of the peptide. Solution NMR structure of TIRAP PBM exhibits a central relatively hydrophobic helix surrounded by the flexible N- and C-termini. Paramagnetic studies indicate that the helix is close to the micelle core, whereas two termini are located on the micellar surface. Nuclear spin relaxation experiments indicate that the two termini of TIRAP PBM become more ordered when bound to PIP, thus, we propose that the central helix in PBM is responsible for membrane insertion, whereas the two sets of basic residues interact with PIPs to stabilize TIRAP's membrane interaction. Phosphomimetic mutation of Thr28 to Asp (T28D) as well as phosphorylation in Thr28 inhibit TIRAP PBM's binding to phosphoinositides by distorting the central helical structure of the peptide. More importantly, TIRAP T28D disrupt its subcellular localization in vivo. Thus, phosphorylation can impair proper insertion of TIRAP at the plasma membrane through PBM and, consequently, it may represent the first signal that promotes TIRAP degradation. / Ph. D.

In this thesis, a new approach of a qNMR method has been investigated to demonstrate the reliability and importance of this method as an alternative solution for analyzing oil quality parameters, especially in RFO, which has particular characteristics (red color). This study also includes the chemometric evaluation of spectral data for authentication, visual grouping, and prediction of RFO quality based on the degree of unsaturation, FFA value, and unsaturated fatty acid content. The analytical measurement procedure of NMR spectroscopy begins with optimization of the analytical acquisition parameters, including effect of solvent, effect of sample concentration, selection of appropriate internal standards, determination of T1, and method validation. Furthermore, the results of the method development were interpreted to RFO samples evaluation, which began with determining the assignment of signal spectra for the determination of AV, SV, EV, and IV simultaneously with: the hydrolysis approach and standard addition of palmitic acid. / In dieser Dissertation wurde ein neuer Ansatz der quantitativen NMR-Spektroskopie untersucht, um die Zuverlässigkeit und Bedeutung dieser Methode als alternative Lösung für die Analyse von Ölqualitätsparametern zu demonstrieren, insbesondere bei RFO, das besondere Merkmale (rote Farbe) aufweist. Diese Studie umfasst auch die chemometrische Auswertung von Spektraldaten zur Authentifizierung, visuellen Gruppierung und Vorhersage der RFO-Qualität auf der Grundlage des Ungesättigungsgrads, des freie Fettsäuren-Werts und des Gehalts an ungesättigten Fettsäuren. Das analytische Messverfahren der NMR-Spektroskopie beginnt mit der Optimierung der analytischen Aufnahmeparameter, einschließlich der Auswirkung des Lösungsmittels, der Auswirkung der Probenkonzentration, der Auswahl geeigneter interner Standards, der Bestimmung von T1 und der Methodenvalidierung. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse der Methodenentwicklung auf die Auswertung der RFO-Proben übertragen, die mit der Bestimmung der Zuordnung der Signalspektren für die Bestimmung von Säurezahl, Esterzahl, Jodzahl, Verseifungszahl gleichzeitig mit dem Hydrolyseansatz und der Standardaddition von Palmitinsäure begann.

Currently, two substantial concepts are gaining importance in the food field of knowledge, namely, authenticity and traceability. Food adulteration is becoming a central issue for many players in the food industry, such as stakeholders, institutions, regulatory bodies, and consumers, due to an increased availability and easy access to a range of different food products, which it is focusing the attention of consumers demand to high-quality and authentic products, with special attention to the place of origin. Highly developed targeted analytical methods and regulated tools are used to assess the authenticity of food products; however, they possess undeniable disadvantages. These methods investigate just one characteristic decided a priori and neglect the product in its entirety, which make them ineffective strategies due to increasingly sophisticated adulterations. The foods considered for this study were selected based on the most common sources of food fraud of the so called “Made in Italy” products. One of the most counterfeited Italian food commodities is extra-virgin olive oil (EVOO). An in-depth inspection of the literature about the assessment of its quality and authenticity has revealed that it is a well and deeply studied issue. Many works with different approaches are already published, considering targeted and untargeted approaches, and chromatography and spectroscopic techniques. Nuclear magnetic resonance (NMR) is also highly used in this field, due to its high level of reproducibility and simple sample preparation. For these reasons, this topic was covered with a thorough scientific review. Grana Padano cheese is always among the leading positions in adulteration rankings, and it was the second investigated food in this study. Grana Padano cheese was firstly discriminated from its competitors and other non-PDO (non-Protected Designation of Origin) labeled cheeses. The counterfeiting issue is especially acute when the cheese is in the shredded form because no trademark logo fire-marked on the crust or other authentication signs can be recognized. Samples of Grana Padano cheese, its Italian competitors and foreign non-PDO samples were analyzed with NMR spectroscopy and multivariate analysis to obtain a statistical model able to discriminate Grana Padano cheese from all the other cheeses. Then, another important aspect about cheese, ripening, was considered. Grana Padano cheese is in fact sold with three different aging steps, that also affect its price. Mislabeling about ripening can possibly occur, and for this reason we have decided to proceed with the ripening investigations, to find possible “biomarkers” of the different aging stages. To accomplish this task, another dataset of authentic PDO Grana Padano samples with different ripening ages was analyzed. Both the aqueous and lipid fraction extracted from the samples were considered in order to obtain a holistic view of the samples during maturation. In the end, bactofugation, an additional production step has been considered. Since the production of Grana Padano cheese is strictly controlled by specification rules, the modification of such rules needs further studies to avoid modifications of the organoleptic and nutritional characteristics of the product. For this reason, the additional centrifugation step to remove microorganisms and spores was studied by the comparison of the profile of “traditional” Grana Padano samples with samples produced with bactofugation step and the results were challenging. The resulting differences were mainly affecting the aqueous fraction, which is the major responsible for the organoleptic properties. These results can be helpful for the Consortium for the discussion whether to include this step in the disciplinary or not. A preliminary study on another food commodity, blueberries, was completed, which investigated the differences among four different varieties and with varying storage times. The aim of this investigation was the application of NMR-based metabolomics to highlight differences among varieties with a fast and simple analysis and try to identify compounds potentially sensitive to storage time, as a tool for breeders to understand possible degradation pathways.

Moderne Hochdruckforschung entwickelt sich rasant zu einer der vielfältigstens und überraschensten Disziplinen der Festkörperphysik. Unter Benutzung von Diamantstempelzellen können Drücke erreicht werden, die den Bedingungen im Inneren unserer Erde ähneln. Eine Anwendung von Kernmagnetischen Resonanzexperimenten (NMR) in Diamantstempelzellen galt jedoch fur lange Zeit als unmöglich. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger Ansatz weiterentwickelt, der Radiofrequenz-(RF)-Mikrospulen benutzt, die direkt zwischen den Diamantstempeln platziert werden, und somit zu einer signififikanten Sensitivitatssteigerung führen. Es ist gelungen, Hochdruckzellen zu entwickeln, die fur die speziellen Anforderungen der NMR zugeschnitten sind. Des Weiteren konnte eine nicht metallische, nicht magnetische Dichtung entwickelt werden, die zudem zu einer signififikanten Stabilisierung des Probenvolumens führt. Eine breit angelegte Analyse der Leistungsfähigkeit dieser neuartigen NMR-Hochdruckprobenköpfe zeigt deren Leistungsfähigkeit mit sehr hohen Empfifindlichkeiten sowie einer exzellenten RF Anregung und Zeitauflösung. Drei Anwendungsbeispiele, die das Potenzial dieses Ansatzes in dieser Arbeit unterstreichen, werden vorgestellt. Bei Drücken von bis zu 4 GPa werden die elektronischen und dynamischen Eigenschaften von elementarem Gallium untersucht. Unter höheren Drücken ist es gelungen, einen druckinduzierten Isolator-Metall-Übergang in dem ternaren Chalkogenid AgInTe2 zu beobachten. Schlussendlich ist es gelungen, die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Rubin bei Drücken von bis zu 30.5 GPa zu untersuchen, was einer Verdreifachung des bisher zugänglichen experimentellen Druckbereiches entspricht und die NMR fur moderne Hochdruckanwendungen möglich macht.

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Besides image contrast, imaging speed is probably the most important consideration in clinical magnetic resonance imaging (MRI). MR scanners currently operate at the limits of potential imaging speed, due to technical and physiological problems associated with rapidly switched gradient systems. Parallel imaging (parallel MRI or pMRI) is a method which allows one to significantly shorten the acquisition time of MR images without changing the contrast behavior of the underlying MR sequence. The accelerated image acquisition in pMRI is accomplished without relying on more powerful technical equipment or exceeding physiological boundaries. Because of these properties, pMRI is currently employed in many clinical routines, and the number of applications where pMRI can be used to accelerate imaging is increasing. However, there is also growing criticism of parallel imaging in certain applications. The primary reason for this is the intrinsic loss in the SNR due to the accelerated acquisition. In addition, other effects can also lead to a reduced image quality. Due to unavoidable inaccuracies in the pMRI reconstruction process, local and global errors may appear in the final reconstructed image. The local errors are visible as noise enhancement, while the global errors result in the so-called fold-over artifacts. The appearance and strength of these negative effects, and thus the image quality, depend upon different factors, such as the parallel imaging method chosen, specific parameters in the method, the sequence chosen, as well as specific sequence parameters. In general, it is not possible to optimize all of these parameters simultaneously for all applications. The application of parallel imaging in can lead to very pronounced image artifacts, i.e. parallel imaging can amplify errors. On the other hand, there are applications such as abdominal MR or MR angiography, in which parallel imaging does not reconstruct images robustly. Thus, the application of parallel imaging leads to errors. In general, the original euphoria surrounding parallel imaging in the clinic has been dampened by these problems. The reliability of the pMRI methods currently implemented is the main criticism. Furthermore, it has not been possible to significantly increase the maximum achievable acceleration with parallel imaging despite major technical advances. An acceleration factor of two is still standard in clinical routine, although the number of independent receiver channels available on most MR systems (which are a basic requirement for the application of pMRI) has increased by a factor of 3-6 in recent years. In this work, a novel and elegant method to address this problem has been demonstrated. The idea behind the work is to combine two methods in a synergistic way, namely non-Cartesian acquisition schemes and parallel imaging. The so-called non-Cartesian acquisition schemes have several advantages over standard Cartesian acquisitions, in that they are often faster and less sensitive to physiological noise. In addition, such acquisition schemes are very robust against fold-over artifacts even in the case of vast undersampling of k-space. Despite the advantages described above, non-Cartesian acquisition schemes are not commonly employed in clinical routines. A reason for that is the complicated reconstruction techniques which are required to convert the non-Cartesian data to a Cartesian grid before the fast Fourier transformation can be employed to arrive at the final MR image. Another reason is that Cartesian acquisitions are routinely accelerated with parallel imaging, which is not applicable for non-Cartesian MR acquisitions due to the long reconstruction times. This negates the speed advantage of non-Cartesian acquisition methods. Through the development of the methods presented in this thesis, reconstruction times for accelerated non-Cartesian acquisitions using parallel imaging now approach those of Cartesian images. In this work, the reliability of such methods has been demonstrated. In addition, it has been shown that higher acceleration factors can be achieved with such techniques than possible with Cartesian imaging. These properties of the techniques presented here lead the way for an implementation of such methods on MR scanners, and thus also offer the possibility for their use in clinical routine. This will lead to shorter examination times for patients as well as more reliable diagnoses. / Neben dem Bildkontrast ist die Aufnahmegeschwindigkeit die entscheidende Größe für die klinische Anwendung der Magnetresonanz-Tomographie (MRT). Heutzutage arbeiten MR-Tomographen bereits häufig am Limit dessen, was technisch möglich und physiologisch noch vertretbar ist. Die parallele Bildgebung (parallele MRT, pMRT) ist ein Verfahren, welches es ermöglicht, die Aufnahmezeiten von MRT-Bildern signifikant zu verkürzen, ohne dabei das Kontrastverhalten der zu Grunde liegenden MR Sequenz zu verändern. Die beschleunigte Bildakquisition in der pMRT wird erzielt, ohne auf eine leistungsfähigere technische Ausstattung der MR-Tomographen angewiesen zu sein und ohne dabei die physiologischen Grenzwerte zu überschreiten. Wegen dieser Eigenschaften wird die pMRT heutzutage vielfach in der klinischen Routine eingesetzt. Dabei wächst die Zahl der klinischen MR Anwendungen, welche mittels paralleler Bildgebung beschleunigt werden. Neben dieser Entwicklung ist heutzutage aber auch eine zunehmende Kritik am Einsatz der parallelen Bildgebung bei bestimmten Applikationen festzustellen. Ein Hauptgrund dafür ist der intrinsische Verlust an Signal-Rausch-Verhältnis durch die beschleunigte Akquisition. Es gibt weitere Effekte, welche die Bildqualität vermindern können. Durch unvermeidbare Ungenauigkeiten bei den Verfahren der pMRT kann es zu lokalen und zu globalen Fehlern in den rekonstruierten Bildern kommen. Die lokalen Fehler sind als Rauschverstärkung sichtbar, wohingegen die globalen Fehler zu so genannten Faltungsartefakten im Bild führen. Das Auftreten und die Stärke dieser Störeffekte hängen von unterschiedlichen Parametern ab. Im Allgemeinen ist es nicht möglich alle Abhängigkeiten für jede Applikation gleichzeitig zu optimieren. Der Einsatz der parallelen Bildgebung kann zu massiven Bildartefakten führen, d.h. die parallele Bildgebung kann Fehler verstärken. Auf der anderen Seite gibt es Applikationen, wie zum Beispiel die abdominelle MR-Bildgebung oder die MR-Angiographie, bei denen die pMRT nicht zuverlässig funktioniert. Die Anwendung der pMRT verursacht also erst die Fehler. Ganz allgemein kann im klinischen Umfeld beobachtet werden, dass die anfängliche Euphorie gegenüber der parallelen Bildgebung einer gewissen Ernüchterung gewichen ist. Der Zuverlässigkeit der implementierten pMRT-Methoden gilt dabei die Hauptkritik. Des Weiteren ist es nicht gelungen, trotz großen technischen Fortschritts, die maximal zu erreichende Beschleunigung mittels paralleler Bildgebung signifikant zu erhöhen. Standard in der klinischen Routine ist immer noch ein Beschleunigungsfaktor von zwei, obwohl sich die Anzahl der unabhängigen Empfangskanäle eines MR Systems (eine Grundvoraussetzung für die Verwendung der pMRT) in den letzten Jahren um einen Faktor 3-6 erhöht hat. In dieser Arbeit wurde erstmalig gezeigt, dass es eine elegante Möglichkeit gibt, diese Probleme zu adressieren. Die Idee besteht darin, Synergieeffekte zu nutzen, die aus einer Kombination von so genannten nicht-kartesischen Abtastverfahren mit der parallelen Bildgebung entstehen. Die nicht-kartesischen Aufnahmeverfahren haben gegenüber den herkömmlichen kartesischen Verfahren einige Vorteile. Sie sind in der Regel schneller und weniger empfindlich für physiologisches Rauschen als kartesische Aufnahmeverfahren. Außerdem sind sie sehr robust gegenüber Faltungsartefakten, selbst bei starker Unterabtastung der k Raumdaten. Trotz der eben beschriebenen Vorteile finden nicht-kartesische Aufnahmeverfahren kaum Verwendung in der klinischen Routine. Ein Grund hierfür sind die komplexen Rekonstruktionsverfahren, die an Stelle der schnellen Fourier-Transformation angewendet werden müssen, um ein MR-Bild aus nicht-kartesischen Daten zu erzeugen. Ein weiterer Grund liegt darin, dass kartesische MR-Aufnahmen mittlerweile routinemäßig mit paralleler Bildgebung beschleunigt werden, wohingegen dies bei nicht-kartesischen MR-Aufnahmen wegen der langen Rekonstruktionszeiten nicht praktikabel ist. Dadurch wird der oben erwähnte Geschwindigkeitsvorteil der nicht-kartesischen Verfahren irrelevant. Durch die Entwicklung der in dieser Doktorarbeit vorgestellten Methoden konnten erstmals Rekonstruktionszeiten in der nicht-kartesischen Bildgebung erzielt werden, die vergleichbar sind mit denen in der kartesischen Bildgebung. In der vorliegenden Arbeit konnte die höhere Zuverlässigkeit dieser neuen Verfahren demonstriert werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass höhere Beschleunigungsfaktoren erzielt werden können als dies mit kartesischen Verfahren bisher möglich war. Diese Eigenschaften der vorgestellten Methoden bahnen den Weg für eine Implementierung solcher Verfahren an MR Geräten und damit deren Anwendung in der klinischen Routine. Letztendlich wird dies zu kürzeren Untersuchungszeiten der Patienten und zuverlässigeren Diagnosen führen.

Der Morbus Fabry ist eine lysosomale Speicherkrankheit, die auf einem Mangel des Enzyms a-Galaktosidase A beruht. Die Krankheit wird X-chromosomal rezessiv vererbt und entsteht durch Mutation des a-Galaktosidase-Gens auf dem langen Arm des Chromosoms Xq22. Durch die erniedrigte bzw. fehlende Enzymaktivität kommt es zu einer übermäßigen Ablagerung von Glykosphingolipiden in sämtlichen Geweben des menschlichen Körpers, besonders betroffen sind Herz, Nieren, Gefäße und ZNS. Die Krankheit ist durch einen progredienten Verlauf und einer eingeschränkten Lebenserwartung gekennzeichnet. Insbesondere die kardialen Auswirkungen wie Herzrhythmusstörungen, Klappenvitien und linksventrikuläre Hypertrophie führen zur Herzinsuffizienz und fast immer zu einem meist frühzeitigen Tod durch Herzversagen. Seit einiger Zeit steht in der Enzymersatztherapie mit rekombinanter a-Galaktosidase A (Agalsidase) eine kausale Behandlung zur Verfügung. Unter der Therapie mit Agalsidase zeigen sich auch Verbesserungen der kardialen Parameter, insbesondere eine Reduktion der linksventrikulären Masse. Zur Kontrolle und zur Dokumentation der medikamentösen Wirkung an den verschiedenen Organen waren und sind klinische Studien und Untersuchungen der betroffenen Patienten notwendig. Zur Beurteilung der kardialen Funktion steht, neben den bekannten Routineverfahren wie der Echokardiographie und der MR-Bildgebung, mit der 31P-Magnetresonanz-Spektroskopie ein nicht invasives Verfahren zur Beurteilung des myokardialen Stoffwechsels zur Verfügung. Mit Hilfe von speziellen Auswerteprogrammen können die Absolutkonzentrationen von energiereichen Metaboliten, besonders von Phosphokreatin und Adenosintriphosphat, im Herzmuskel in vivo bestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war zunächst einmal die Messung der Konzentrationen der energiereichen Metabolite im Myokard von Patienten mit Morbus Fabry und der Vergleich der Daten mit denen von gesunden Probanden. Des weiteren wurde die Patientengruppe unter Therapie mit Agalsidase b einer frühen und einer späten Kontrolluntersuchung mittels MR-Spektroskopie unterzogen, um Veränderungen im kardialen Metabolismus darzustellen. Die spektroskopischen Daten gaben Aufschluss über Ausmaß der Beeinträchtigung des myokardialen Stoffwechsels aufgrund der Gb3-Ablagerungen und ergänzten die klinischen und bildmorphologischen Untersuchungen. Hierbei konnte eine tendenzieller Anstieg der PCr- und ATP-Konzentrationen unter ERT im Myokard nachgewiesen werden, gleichfalls zeigten sich in dem untersuchten Kollektiv eine Abnahme der linksventrikulären Masse und eine erhöhte Ejektionsfraktion. Ebenso konnte dargelegt werden, dass wie auch bei anderen Herzerkrankungen, wie zum Beispiel der dilatativen Kardiomyopathie oder der koronaren Herzkrankheit, bei einer Stoffwechselerkrankung wie der Fabry-Krankheit deutlich verringerte Konzentrationen energiereicher Phosphate in den Herzmuskelzellen vorliegen. / Fabry disease is a X-linked inborn metabolic defect of the lysosomal enzyme a-galactosidase A. The lack of a-galactosidase A causes an intracellular accumulation of glycosphingolipids, mainly globotriaosylceramide. The signs and symptoms of this disease are various, mainly affected organs are heart, kidneys, vascular endothelium, brain and the nervous system. Cardiac involvement is frequent and leads to progressive heart failure. Beside supportive treatment of the symptoms, a new specific therapy with recombinant enzyme is now available. Examination of the cardiac function of patients undergoing enzyme replacement therapy is necessary and only 31P magnetic resonace spectroscopy allows a non-invasive asessment of high-energy metabolites in the myocardium.

Dank der mit modernen NMR-Spektrometern (Kernspintomographen) routinemäßig realisierbaren isotropen räumlichen Auflösungen von wenigen Mikrometern, ergeben sich für die 1H NMR-Mikroskopie zahlreiche neue Anwendungsgebiete. Allerdings sind die Möglichkeiten und Grenzen der NMR-Mikroskopie bezüglich ihrer praktischen Anwendbarkeit bisher nur wenig untersucht worden. Die vorliegende Arbeit ist im Bereich der biophysikalischen Grundlagenforschung angesiedelt und soll die praktische Anwendbarkeit der NMR-Mikroskopie auf neuen medizinischen und biologischen Anwendungsgebieten anhand von ausgewählten Beispielen aus diesen Bereichen demonstrieren. Die einzelnen Projekte besitzen deswegen immer auch den Charakter von Machbarkeitsstudien, die aufzeigen sollen, welche Möglichkeiten und Vorteile die NMR-Mikroskopie im Vergleich zu etablierten Untersuchungsmethoden bietet. Im Detail wurden unterschiedliche lebende und fixierte biologische Proben mittels NMR-Mikroskopie zerstörungsfrei und räumlich hochaufgelöst dargestellt. Dabei variierte die spezielle Zielsetzung von der Visualisierung der Invasion eines Tumorsphäroiden in ein Zellaggregat anhand von T2-Parameterkarten (Zeitkonstante der Spin-Spin-Relaxation) über die dreidimensionale Darstellung des Gehirns der Honigbiene in der intakten Kopfkapsel bis hin zur nicht-invassiven Abbildung der Anatomie prenataler Delphine. Für alle durchgeführten Projekte war der nicht-invasive Charakter der NMR-Experimente von entscheidender Bedeutung. Die zu beobachtende Tumorinvasion durfte nicht durch die Messung beeinflusst werden, das Bienengehirn sollte möglichst naturgetreu abgebildet werden, und die untersuchten Delphine sind seltene Museumsstücke, die nicht zerstört werden durften. Die verschiedenen Proben wurden mit der jeweils bestmöglichen räumlichen Auflösung visualisiert, die sich entweder durch das minimal nötige Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) oder durch die zur Verfügung stehende Messzeit ergab. Um einzelne feine Strukturen in den Bildern auflösen zu können, mussten sowohl das SNR, als auch das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis optimiert werden. Die Messungen wurden an Hochfeld-NMR-Spektrometern bei 500 und 750 MHz durchgeführt, um das für die hohe Auflösung notwendige SNR zu gewährleisten. Mit den Experimenten konnten zahlreiche Fragen bezüglich mikroskopischer Details der verschiedenen untersuchten Proben nicht-invasiv beantworten werden. Gleichzeitig führten sie zu neuen interessanten Fragestellungen bezüglich der NMR-Mikroskopie an fixierten Proben. Darüber hinaus konnte die praktische Anwendbarkeit der NMR-Mikroskopie als Alternative bzw. Ergänzung zu herkömmlichen Untersuchungsmethoden wie der konfokalen Lasermikroskopie bei der Visualisierung des Bienengehirns und der konventionellen Histologie bei der Untersuchung der Anatomie der prenatalen Delphine demonstriert werden. Durch die Untersuchung der speziellen Vorteile und der Grenzen der Anwendung der NMR-Mikroskopie gegenüber den herkömmlichen Untersuchungsmethoden konnte konkret der praktische Nutzen ihres Einsatzes aufgezeigt und Ergebnisse erzielt werden, die sonst nicht erzielbar wären. Gerade der Einsatz der NMR-Mikroskopie in Form der NMR-Histologie stellt einen vielversprechenden Weg zur Etablierung der NMR-Mikroskopie als Routineuntersuchungsmethode dar. Als ebenso erfolgreich hat sich die Anwendung der NMR-Mikroskopie als Untersuchungsmethode bei der Beobachtung der Tumorinvasion erwiesen, so dass sie auch in der medizinischen in-vitro Forschung und Therapiesimulation als sinnvolle Alternative zu den vorhandenen Methoden angesehen werden kann. Anhand der ausgewählten Anwendungsbeispiele ist es in dieser Arbeit somit gelungen, neue, konkrete Einsatzmöglichkeiten für die NMR-Mikroskopie zu eröffnen und ihre praktische Anwendbarkeit als Untersuchungsmethode für Fragestellungen im Bereich der medizinischen in-vitro Forschung und verschiedener neuro- und entwicklungsbiologischer Bereiche zu demonstrieren. / With modern MR-spectrometers it is possible to achieve isotropic spatial resolutions in the range of only a few microns. Thus, several new fields of application for 1H-MR-Microscopy are being developed. Still, the practical possibilities and limitations of this technique have only been determined rarely. This work has a biophysical background and uses different examples to demonstrate the practical applicability of NMR-Microscopy in the medical and biological sector. Therefore, the different projects are feasibility studies which are used to compare the possibilities and advantages of NMR-Microscopy with other, established examination techniques. In detail, using MR-Microscopy, different living and fixed biological samples have been visualized non-invasively with high spatial resolution. The specific purpose of the studies ranged from the visualization of the invasion of tumor-spheroids into cell aggregates using T2 parameter maps (time constant of the spin-spin relaxation) to the three-dimensional display of the honey bee brain in the intact head capsule and the non-invasive visualization of the anatomy of prenatal dolphins. For all these projects, the non-invasive character of MR-experiments was of utmost importance. The tumor invasion was not to be disturbed by the measurements, the bee brain should be visualized as close to its true natural shape as possible and the examined dolphins represent rare museum specimens which should not be destroyed. The different samples were all imaged with the best possible spatial resolution which was either limited by the necessary signal-to-noise ratio (SNR) or the available scan time. In order to resolve single details and fine structures in the images, it was necessary to optimize the SNR as well as the contrast-to-noise ratio. To guarantee the necessary SNR, the measurements were performed on high field MR-spectrometers with resonance frequencies of 500 and 750 MHz. Numerous questions about microscopic details of the examined samples could be answered non-invasively with the experiments performed. At the same time, the experiments led to new interesting questions about MR-Microscopy on fixed samples. Furthermore, the practical applicability of MR-Microscopy as an alternative or a supplement to conventional examination methods could be demonstrated. Here, these methods were confocal laser microscopy in the case of the honey bee brain and conventional histology in the case of the prenatal dolphins. By investigating the specific advantages and limitations of MR-Microscopy in these cases, it was possible to demonstrate the practical value of its application and to obtain results which would otherwise have been impossible. Especially the use of MR-Microscopy as MR-Histology is a promising application which will help to establish MR-Microscopy as a routine examination method. Since the tumor invasion process could also be observed very successfully using MR-Microscopy, this technique can as well be considered as a valuable tool for medical in-vitro research and therapy simulation and thus an alternative to existing methods. In summary, with the examples chosen in this work, it was possible to find new applications for MR-Microscopy and to demonstrate the practical applicability of this method in the fields of medical in-vitro research as well as neurological and developmental biology.

Neste trabalho descreve-se a construção de dois equipamentos controladores da temperatura da amostra, que operam entre 77K e 300K e entre 300K e 700K. Apresenta-se os resultados de medidas de T1 e T2, no intervalo de 77K e 700K, realizadas com o campo estático Ho paralelo à direção [111] e uma radiofreqüência de 24MHz. Discutem-se os comportamentos de T1 e T2 neste intervalo de temperaturas e os possíveis mecanismos de relaxação, spin nu clear-rede e spin eletrônico de impureza-rede, atuantes. / In this work we describe the construction of two sample temperature controlled equipments that operate between 77K and 300K and between 300K and 700K. We show the results of T1 and T2 measurements over the temperature range of 77K to 700K with the static field Ho parallel to [111] direction and 24MHz. We discuss the T1 and T2 behavior in this range temperature and the possible relaxation mechanisms of spin nuclear and spin electronic of impurity to lattice that are present.

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The characterization and purification of the peptides were performed by mass spectrometry and high-performance liquid chromatography. Structural studies of the peptides were performed by circular dichroism (CD) and nuclear magnetic resonance (NMR) in the presence of biomimetic enviroments. CD and NMR results indicated that the peptides do not present preferential conformations in aqueous solutions, however adopt helical conformations in membrane mimetic environments. CD studies have shown that Cn-AMP1 and [Gly9] Cn-AMP1 do not adopt show defined conformation in the presence of DPC micelles at different pH values, however the peptide [Trp9] Cn- AMP1 showed a small a-helical content in the presence of 100mM DPC. In the presence of SDS the spectra of all peptides showed helical profiles at both pH 4, pH 7 as well as in the absence of buffer. NMR experiments indicated the interaction of the peptides [Trp9] Cn-AMP1 and [Gly9] Cn-AMP1 with SDS micelles at pH 4 (25 °C), and structural calculations indicated that [Trp9]Cn- AMP1 adopts an α-helical conformation between Val2-Gly8, and that [Gly9] Cn- AMP1 adopts an α -helical conformation between Val2-Arg5. Dynamic light scattering and zeta potential experiments were performed to investigate the effect of addition of peptides into phospholipid vesicles. All of the peptides caused variations on the POPC:POPG (3:1) and POPC, LUVs hydrodynamic radios, however major changes were observed for the anionic vesicles due to the strong interaction between the arginine residue of the peptides and the negativelly charge of membrane. / Os peptídeos antimicrobianos fazem parte da defesa inata de vários organismos e representam candidatos a fármacos em sua forma natural, o que possibilita o desenvolvimento de peptídeos modificados com perfis farmacológicos melhorados. Neste contexto, o trabalho teve como objetivo a síntese do peptídeo antimicrobiano Cn-AMP1, originalmente isolado da água de coco verde, o qual apresenta atividade contra fungos, bactérias grampositivas e gram-negativas, efeitos sobre a proliferação de células cancerígenas e baixa toxicidade em células de mamíferos. Foram também sintetizados seus análogos [Trp9]Cn-AMP1 e [Gly9]Cn-AMP1 por síntese de peptídeos em fase sólida utilizando a estratégia Fmoc. A caracterização e purificação dos peptídeos foram realizadas por espectrometria de massas e cromatografia líquida de alta eficiência. Estudos estruturais dos peptídeos foram avaliados por Dicroísmo Circular (CD) e Ressonância Magnética Nuclear (RMN) na presença de meios biomiméticos. Os resultados de CD e RMN evidenciaram que os peptídeos se apresentam de forma desordenada em solução aquosa, porém adotam conformações helicoidais na presença de meios que mimetizam a membrana celular. Estudos detalhados de CD mostraram que os peptídeos Cn-AMP1 e [Gly9]Cn-AMP1 não apresentam estrutura definida em DPC a diferentes valores de pH, e o peptídeo [Trp9]Cn- AMP1 mostrou uma pequena estruturação em a-hélice na presença de 100mM de DPC. Em SDS todos os peptídeos apresentam um perfil de estrutura helicoidal em pH 4, pH 7 e sem a adição de tampão. Experimentos de RMN mostraram a interação dos peptídeos [Trp9]Cn-AMP1 e [Gly9]Cn-AMP1 com micelas de SDS em pH 4 a 25ºC. Cálculos estruturais demonstraram que o peptídeo [Trp9]Cn-AMP1 assume conformação em α-hélice entre os resíduos Val2-Gly8, ao passo que o peptídeo [Gly9]Cn-AMP1 assume conformação em α- hélice entre os resíduos Val2-Arg5. Experimentos de espalhamento de luz dinâmico e potencial zeta mostraram ainda o efeito da adição de peptídeos no tamanho e nas cargas superficiais de vesículas fosfolipídicas. Todos os peptídeos causaram variação no Dh de LUVs de POPC:POPG (3:1) e LUVs de POPC, tendo-se observado maiores alterações em vesículas predominantemente aniônicas de POPC:POPG, sendo favorecido pela maior aproximação e atração do resíduo de arginina presente nos peptídeos com a carga negativa extra das unidades de POPG.