Die Entwicklung eines effektiven HIV-Impfstoffes ist bis heute nicht gelungen.Konventionelle Immunisierungsstrategien mit rekombinant hergestellten Hüllproteinen des Virus in verschiedensten Formen induzierten keine subtypenübergreifende, protektive Immunantwort gegen HIV. Die Gewinnung und Charakterisierung der gp41-spezifischen breit neutralisierenden monoklonalen Antikörper 2F5 und 4E10 bildete die Grundlage einer Reihe neuer epitopgerichteter Ansätze für die HIV-Impfstoffentwicklung. Bisherige Immunisierungsstudien basierten auf der Verwendung des linearen Hauptepitopes (E2) der beiden Antikörper aus dem C-terminalen Teil der Ektodomäne von gp41. Nach neueren Erkenntnissen, reicht für eine effektive Neutralisation durch 2F5 oder 4E10 die Bindung dieser Antikörper an ihr lineares Epitop in der membran proximalen externen Region (MPER) von gp41 allein nicht aus. Vielmehr wurde die Beteiligung einer N-terminalen Domäne (E1) von gp41 an der neutralisationsaktiven Bindung von 2F5 bzw. 4E10 postuliert. In dieser Arbeit wurden die beiden 2F5 und 4E10 spezifischen Epitopbereiche E1 und E2 des gp41 erstmals in das strukturell verwandte transmembrane Hüllprotein des Koala Retrovirus (KoRV) eingebracht. Die Applikation der hergestellten Antigene erfolgte sowohl in Form der codierenden DNA mittels ballistischer Immunisierung (GeneGun®) als auch durch bakteriell exprimierte Proteine. Mit beiden Strategien konnten für drei Hybridproteine in den ersten Studien eine HIV-1 gp41 spezifische, breit neutralisierende humorale Immunantwort induziert werden. Diese Ergebnisse konnten jedoch in späteren Studien nicht reproduziert werden. Die Analyse der induzierten Immunantworten zeigte eine Verlagerung der Hauptimmunantwort als deren Ursache eine bakterielle Fremdinfektion der Versuchtiere diskutiert wurde. Zur Evaluierung der Immunisierungsstudien wurde ein neuartiger real time PCR basierter in vitro Neutralisationstest um Kontrollen zur Virusspezifität und Cytotoxizität erweitert. / The development of an effective HIV vaccine is considered the to play a key role in controlling the HIV pandemic. Conventional immunisation strategies using recombinant envelope proteins of the virus did not lead to the induction of a broad range protective immunity. A new target sequence for the induction of a broadly neutralising humoral immune response has been discovered through the characterization of the gp41 specific broadly neutralising monoclonal antibodies 2F5 and 4E10. Until now all attempts to induce 2F5/4E10 like neutralising antibodies failed. So far only the linear main epitope (E2) of 2F5 and 4E10, located in the C-terminal part of the gp41 ectodomain was used as the target sequence. However, it was recently shown that an N-terminal domain (E1) of gp41 increases the avidity of 2F5 to its epitope. The E1 domain may therefore be involved in the mediation of a neutralisation active binding. For the first time immunisation strategies have been developed that target both previously identified domains (E1 and E2) of gp41. The sequences corresponding to E1 and E2 have been introduced at homologous positions in the structurally related transmembrane envelope protein p15E of the Koala Retrovirus (KoRV). These generated hybrid antigens have been used for immunisation of wistar rats. They were applied as recombinant proteins expressed in E.coli and as DNA using a ballistic immunisation (GeneGun®) approach. Although in first trials neutralising antibodies specific for gp41 of HIV-1 were induced, these results could not be reproduced. Analysis of the induced antibodies showed a shift of their binding specifity. A bacterial infection of the used animals was identified as the cause of the unexpected shift in the antigen specific humoral immune response. For evaluation of the immunisation studies a new neutralisation assay based on the measurement of provirus integration by duplex real time PCR has been extended for controls of virus specifity and cytotoxicity.

Zirkulierende inflammatorische Mediatoren spielen eine zentrale Rolle in der Induktion und Unterhaltung eines septischen Multiorganversagens (MOV). Tritt im Rahmen eines septischen MOV ein akutes Nierenversagen auf, so wird der Einsatz einer Nierenersatztherapie notwendig. Kontinuierliche Nierenersatztherapieverfahren (CRRT) haben sich hier bewährt. Der Einsatz von CRRT zur adjuvanten Therapie des septischen MOV ist in den neunziger Jahren aufgekommen. Grundlage bildet die Hypothese, dass durch die Reduktion von Spitzenpegeln pro- and anti-inflammatorischer Mediatoren im Blutplasma die Homöostase der Immunabwehr wiederhergestellt werden kann. Kommerziell erhältlichen Hämofilter weisen aufgrund ihrer Konstruktion nur eine geringe Clearanceleistung für inflammatorische Mediatoren auf. In Kooperation mit der Industrie (Gambro, Medical Research, Hechingen, Germany) entwickelten wir einen neuartigen, großporigen Hämofilter für den klinischen Einsatz. Der Hämofilter wurde konzipiert, um Moleküle in einer Größe von bis zu 60 kD aus dem Blut septischer Patienten zu eliminieren. In einer ersten Pilotstudie wurde der Hämofilter auf seine klinische Verwendbarkeit untersucht. Untersucht wurde die hämodynamische Verträglichkeit, der Verlust an Bluteiweißen und Gerinnungsfaktoren sowie die Effektivität der Mediatorelimination am Beispiel von Interleukin-6 (IL-6) und Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-alpha). Wir konnten zeigen, dass die großporige Hämofiltrationstherapie ein sicheres und effizientes Nierenersatzverfahren darstellt. Es erwies sich als hämodynamisch verträglich. Der kumulative Eiweißverlust lag bei 8 g/Tag. Signifikante Verluste an essentiellen Gerinnungsfaktoren wurden nicht beobachtet. Es zeigte sich zudem eine signifikante Filtration von im Blut zirkulierendem IL-6. Die Clearancekapazität für TNF-alpha war jedoch gering. In Folgestudien konnten wir zeigen, dass die großporige Hämofiltration immunmodulatorische Eigenschaften ausübt. Sowohl die Phagozytose-Aktivität zirkulierender polymorphkerniger Leukozyten und Monozyten, als auch die Proliferationseigenschaften von T-Lymphozyten wurden günstig beeinflusst. Um den Verlust an Bluteiweißen durch den großporigen Hämofilter zu reduzieren, wurden verschiedene Nierenersatzstrategien experimentiert. Der diffusive Stofftransport scheint dem konvektiven Verfahren hinsichtlich der Mediatorelimination, bei deutlich günstigerem Effekt auf den Proteinhaushalt, gleichwertig zu sein. In wieweit die großporige Hämofiltration den Krankheitsverlauf septischer Patienten beeinflussen kann, ist Gegenstand aktueller Studien. / Inflammatory mediators play a pivotal role in the induction and maintenance of a septic syndrome. In the course of a septic multiorgan dysfunction syndrome, acute renal failure (ARF) often necessitates the use of renal replacement therapy. Continuous renal replacement therapy (CRRT) is the treatment of choice in this regard, and convection (hemofiltration) has become the most common used purification technique. Apart from representing a valuable renal replacement modality, CRRT also allows the elimination of inflammatory mediators. Since the early nineties CRRT has been used as an adjuvant treatment strategy in the septic multiorgan failure syndrome. It has been hypothesized that CRRT may re-institute the immunologic and hemostasilogic homeostasis by reducing the peak cytokine concentration in circulating blood. Commercially available hemofilters do not allow for a substantial elimination of inflammatory mediators. Their clearance capacity for septic mediators is poor. In cooperation with an industry company (Gambro, Medical Research, Hechingen, Germany), we developed a high cut-off hemofilter for clinical use in septic patients. The hemofilter was developed in order to allow the elimination of septic mediators in the molecular weight range up to 60 kilodaltons (kD). In a first pilot study the newly developed hemofilter was analyzed for clinical feasibility. We studied the hemodynamic impact, the transmembrane loss of plasma proteins and coagulation parameters as well as the efficacy in regard to mediator elimination. For mediator elimination Interleukin-6 (IL-6) and tumor-necrosis-factor-alpha (TNF-alpha) were chosen. We were able to show, that high cut-off hemofiltration is a safe and effective renal replacement procedure. Hemodynamically high cut-off hemofiltration was well tolerated. The cumulative transmembrane total plasma protein loss was around 8g/day. Coagulation parameters were not effected. We further demonstrated, that high cut-off hemofiltration is able to significantly eliminate substantial amounts of circulating IL-6. However, the elimination capacity for TNF-alpha was poor. We were also able to show, that high cut-off hemofiltration exerts immunomodulatory properties. The phagocytotic activity of polymorphnuclear leukocytes and monocytes as well as proliferative capacity of lymphocytes were positively influenced. In order to reduced transmembrane protein losses through the high cut-off hemofilter, a variety of different renal replacement strategies were tested. Diffusive purification techniques were comparable to convective techniques in regard to the mediator elimination capacity, but were associated with significantly lower transmembrane protein losses. Whether high cut-off hemofiltration can positively influence the course of critically ill septic patients is still under investigation.

Leischmaniasis ist ein ernstzunehmende bedrohliche Erkrankung in vielen Ländern. Epidemien sind nicht unter Kontrolle, Neusbrüche werden in endemischen Ländern registriert. Darüber hinaus gibt es eine zunehmende Anzahl von Krankheitsfällen bei Reiserückkehrern in nicht endemischen Ländern . Für den individuellen Patienten sowie auch allgemein für die epidemiologische Kontrolle ist eine frühe und angemessene Therapie sehr wichtig. Als Voraussetzung ist eine präzise Diagnostik unabdingbar. Die Polymerase Ketten Reaktion (PCR) besitzt das größte Potential für die sensitive und spezies-spezifische Diagnostik der Leischmaniasis. Diese Studie ist in Israel und in der West Bank durchgeführt worden mit dem Ziel, eine sensitive und spezies-spezifische Diagnostik für Leischmaniasis im Land zu etablieren. Drei Arten von Leischmanien sind endemisch, Leishmania major,L.tropica, L.d.infantum, mit neuausbrechenden endemischen Foci in einigen Gegenden des Landes. Israelische Reiserückkehrer aus Zentral- und Südamerika kehren gelegentlich mit Infektionen aus der Neuen Welt zurück (L.braziliensis, L.mexicana Komplex). In dieser Studie wurden vor allem Proben direkt von denHautläsionen entnommen und auf Filter Papiekonserviert. Verschiedene DNA Extraktions- und PCR-Methoden wurden getestet. PCR wurde eingeführt für die Diagnostik von Patienten und auch zur Untersuchung von Infektionsraten bei Reservoirtieren. Ein Hauptziel der Studie war, die Methoden nach Praktikabilität, Zeit- und Kosteneffizienz testen, im Hinblick auf die Einführung der Methoden in klinischen Labors. / Leishmaniasis is a serious health threat in many countries around the world.Epidemics are hardly controlled, new foci are emerging in endemic countries. In addition,through tourism increasing numbers of infections are seen in non endemic countries. Early and adequate treatment is essential for the individual as well as for the control of the disease in general. As a prerequisite precise diagnosis is necessary. Diagnosis by the polymerase chain reaction (PCR) has the greatest potential for sensitive and species-specific diagnosis of leishmaniasis. This study has been carried out in Israel and the West Bank with the purpose to establish sensitive and species-specific diagnosis of leishmaniasis in the country. Three species of Leishmania are endemic, Leishmania major, L.tropica and L.d.infantumwith emerging foci in many parts of the country. Other species of the New World are occasionally imported by Israeli travelers returning from Central or South America (L.braziliensis and L.mexicana complex). The study focused on dermal lesion scrapings collected from suspected lesions and preserved on filter paper. Different DNA extraction and PCR methods have been tested. PCR was introduced forthe diagnosis of individual patients as well as for epidemiological studies in reservoir animals. It has been a major goal to select time and cost saving methods with regard to the introduction of PCR diagnosis of leishmaniasis to clinical laboratories.

Proton coupled electron transfer reactions often involve tyrosine residues, because when oxidized, the phenolic side chain deprotonates. Tyrosine Z (YZ) is responsible for extracting electrons in a stepwise fashion from the oxygen evolving-complex in order to build enough potential to oxidize water. This process requires that each step YZ must deprotonate and reprotonate in order to maintain the high midpoint potential that is necessary to oxidize the oxygen-evolving complex, which makes YZ highly involved in proton coupled electron transfer reactions. In this thesis YZ has been studied within oxygen-evolving photosystem II utilizing electron paramagnetic resonance spectroscopy to monitor the tyrosyl radical that is formed upon light excitation. Kinetic analysis of YZ has shed light on the factors that are important for PSII to carry out water oxidation at the oxygen-evolving complex. Most notably the strong hydrogen-bonding network and the midpoint potential of YZ have been shown to be integral aspects of the water splitting reactions of PSII. By studying YZ within oxygen-evolving PSII, conclusions are readily applied to the native system.

Malaria Impfstoffkandidaten, welche Sicherheit und Wirksamkeit gegen prä-erythrozytische Stadien bieten, sind nach wie vor in der Entwicklung. Experimentelle Immunisierungsstudien mit genetisch attenuierten Parasiten (GAP), welche die Entwicklung über das klinisch asymptomatische Leberstadium hinaus verhindern, erwiesen sich als sicher und effizient. ΔSLARP GAP-Sporozoiten arretieren vollständig in der Leber, bieten jedoch keinen langanhaltenden Schutz. Hingegen zeigen Immunisierungen mit ΔP36p/P36 Sporozoiten einen langanhaltenden Schutz, führen jedoch während der Immunisierung gelegentlich zu Blutstadieninfektionen. Diese Studie liefert eine systematische vorklinische Bewertung eines dreifachen KO GAP-Parasiten, durch die Kombination von ΔSLARP und ΔP36p/P36. KO Parasiten arretierten vollständig in vitro und in vivo, aber der zeitnahe Blutinfektionsbeginn nach einer Sporozoiteninfektion in Mäusen zeigte eine verminderte Wirksamkeit des Impfstoffs. Während ein besserer Schutz durch einen späten Leberstadien Entwicklungsstillstand erreicht werden kann, bleiben die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen unklar. Eine Vorrausetzung für die Leberzellen Antigenpräsentation ist die Präsenz von parasitären Antigenen im hepatozyten Zytoplasma. Der Proteinexportkomplex PTEX ist in Leberstadien nicht vollständig funktionstüchtig, da das essentielle Hitzeschockprotein 101 (HSP101) nicht exprimiert wird. Um die Rolle von HSP101 für den Leberproteinexport zu klären, wurden transgene HSP101 exprimierende Parasiten erzeugt. Transgene Parasiten weisen in vitro und in vivo schwere Wachstumsstörungen im Leberstadium auf und bieten keinen Impfschutz. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Expression von HSP101 streng kontrolliert wird und der Export im frühen Leberstadien nicht wiederhergestellt werden kann. Insgesamt können prä-klinische Studien und die Weiterentwicklung von GAP-basierten Impfstoffkandidaten die laufenden humanen Impfstoffstudien beeinflussen und vorantreiben. / Malaria vaccine candidates providing both safety and efficacy against pre-erythrocytic stages remain largely elusive. Experimental immunizations with live genetically attenuated parasites (GAPs) preventing the development beyond the clinically silent liver stage have proven safe and efficacious. GAP vaccine candidate ΔSLARP, provides the most robust life cycle arrest, however, immunizations do not elicit long-lasting immunity. In contrast, ΔP36p/P36 sporozoites elicit long-lasting immunity, but lead to breakthrough infections during immunizations. This study gives a systematic pre-clinical evaluation of a triple knockout (tKO) GAP by combining ΔSLARP and ΔP36p/P36. Complete arrest of tKO parasites in cultured hepatoma cells and sporozoite-infected mice was confirmed, but time to blood infection after a sporozoite challenge revealed reduced efficacy of the tKO vaccine. While superior immunity can be achieved by a late developmental arrest at liver-to-blood stage conversion, the underlying molecular mechanisms remain elusive. An important question is whether parasite antigens are exposed to the hepatocyte cytoplasm. Protein translocation into the host cell cytoplasm mediated by PTEX, a protein translocon, is absent during liver stage maturation as a core component of PTEX, Heat-shock-protein 101 (HSP101), is not expressed. To clarify the role of HSP101 in liver stage protein export transgenic HSP101 expressing Plasmodium berghei parasites were generated. Parasites expressing elevated levels of HSP101 show severe liver stage growth defects in vitro and in vivo, lack early liver stage export and inferior protection in immunized animals. Our results suggest that HSP101 expression is tightly controlled and PTEX dependent early liver stage export cannot be restored solely by HSP101 overexpression. Overall, pre-clinical analysis and improvement of GAP-based vaccine candidates can inform on-going human vaccine trials and boost malaria vaccine development.

Die Onychomykose ist eine sehr häufige Erkrankung, deren Auftreten weltweit zunimmt und mit einer Pilzinfektion der Nägel einhergeht. Die Ineffizienz der verabreichte Antimykotika motiviert Bemühungen, nach alternativen Behandlungsmethoden zu suchen. Diese Dissertation untersucht die Auswirkungen der photodynamischen Inaktivierung (PDI) auf Dermatophyten und Schimmelpilze. Als Modellorganismen werden drei der Onychomykose auslösenden Pathogene untersucht: Trichophyton rubrum, Trichophyton interdigitale und der Schimmelpilz Scopulariopsis brevicaulis. Um das Potenzial der PDI gegen Onychomykose verursachende Pathogene, abzuschätzen, wurden Phototoxizitätstests mit drei Photosensibilisatoren (PS) durchgeführt: 5,10,15,20-Tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl) porphyrintetra(p-toluenesulfonate) (TMPyP) und and 5,10,15-tris-(1-methylpyridinium-2-yl) corrolato-(trans-dihydroxo) phosphorus(V) (PCor+) sowie 4',5',7'-tetrabromo-3',6'-dihydroxyspiro[2-benzofuran-3,9'-xanthene] -1-one (Eosin G). Neben den Phototoxizitätstests wurden zeitaufgelöste Singulettsauerstoff-Lumineszenz Scans aufgenommen, die zur Verifizierung der PDI Effizienz genutzt wurden. Alle drei PS zeigen in vitro eine hohe phototoxische Wirkung. Diese konnte mit Singulettsauerstoff-Lumineszenzmessungen korreliert werden, bei denen ein hohes Singulettsauerstoff-Lumineszenzsignal erfasst wurde. An infizierten menschlichen Nägeln konnten die PS keinen phototoxischen Effekt induzieren. Singulettsauerstoff-Scans, die für einen Einblick in die zugrundeliegenden Ursachen durchgeführt wurden, zeigten fast kein Singulettsauerstoff-Lumineszenzsignal an menschlichen Nägeln. Könnten die verschiedenen bekannten Herausforderungen im Zusammenhang mit PDI an infizierten menschlichen Nägeln bewältigt werden, hätte die PDI das Potenzial, eine schnellwirkende Behandlung dieser Pilzinfektion im Zehennagel zu werden. Diese Studie zeigt erstmals den Zusammenhang zwischen der PDI-Behandlung von Onychomykose und Singulettsauerstoff. / Onychomycosis is a very common illness that befalls an increasing number of individuals worldwide and involves a fungal infection of the nails. The inefficiency of current treatments justifies the efforts to look for alternative treatment modalities. This dissertation investigates the impact of photodynamic inactivation (PDI) against dermatophytes and molds. Three of the causing pathogens of onychomycosis are under investigation: Trichophyton rubrum (T. rubrum), Trichophyton interdigitale (T. interdigitale) and the mold Scopulariopsis brevicaulis (S. brevicaulis). To assess the potential of PDI against onychomycosis causing pathogens, phototoxicity tests were performed using three photosensitizers (PSs): the cationic 5,10,15,20-Tetrakis(1-methylpyridinium-4-yl) porphyrintetra(p-toluenesulfonate) (TMPyP) and 5,10,15-tris-(1-methylpyridinium-2-yl) corrolato-(trans-dihydroxo) phosphorus(V) (PCor+) as well as the anionic 4',5',7'-tetrabromo-3',6'-dihydroxyspiro[2-benzofuran-3,9'-xanthene]-1-one (Eosin Y). Alongside the phototoxicity tests, time resolved singlet oxygen luminescence scans were conducted to serve as a control method of PDI. All three PSs proved to have a high phototoxic effect against the three fungi species in vitro. Those could be correlated with singlet oxygen measurements, where a high singlet oxygen luminescence signal was acquired. Contrary to the expectations from the in vitro experiments were the results obtained ex vivo: On infected human nails, the PSs were not able to induce a phototoxic effect. Singlet oxygen scans conducted to get insight into the reasons behind these results showed nearly no singlet oxygen luminescence signal on human nails. Addressing the various known challenges associated with PDI on infected human nails PDI would have a great impact within short time on treating the toenail fungal infection. This study, for the first time, shows the correlation between PDI treatment of onychomycosis and singlet oxygen.

Jedes Jahr infizieren sich mehr als 200 Millionen Menschen mit Malaria. Eine halbe Millionen von ihnen verstirbt. Die Mehrzahl der Krankheits- und Todesfälle wird durch den Parasiten Plasmodium falciparum verursacht, einen von sechs Stämmen von Malariaparasiten, der Menschen infizieren kann. Der P. falciparum-Parasit hat in unterschiedlichem Maße Resistenzen gegen die meisten derzeit verwendeten Malariamittel entwickelt, und es besteht ein ständiger Bedarf an der Entwicklung neuer Malariamedikamente. Zwei Wirkstoffe, die sich derzeit in der klinischen Erprobung gegen Malaria befinden, zielen auf ’Ionenpumpen’ in der Oberflächenmembran des Malariaparasiten ab. Die Ionenregulation im Parasiten P. falciparum war in den letzten Jahrzehnten Gegenstand umfangreicher Forschung, welche zu einem allgemeinen Verständnis darüber geführt, wie der Parasit seine interne Ionenhaushalt reguliert. Es wurde jedoch noch nicht versucht, diese Erkenntnisse in ein quantitatives Modell zu integrieren. In dieser Arbeit habe ich ein mathematisches Modell für die Ionenhomöostase im asexuellen, intra-erythrozytären Stadium des Parasiten P. falciparum entwickelt. Das Modell bietet neue Einblicke in bisher unerklärte, experimentelle Beobachtungen und sagt die Wechselwirkungen von Ionentransport-Inhibitoren voraus. Das neu entwickelte Modell der Ionenregulation im Parasiten wurde in ein bereits bestehendes mathematisches Modell der Ionenregulation im Wirtserythrozyten integriert, um ein vorläufiges "kombiniertes Modell" des parasiteninfizierten Erythrozyten als Ganzes zu erstellen. Die Ergebnisse dieses kombinierten Modells wurden mit den Ergebnissen einer begrenzten Anzahl von Experimenten verglichen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden. In diesen Experimenten wurde die Veränderung der infizierten Erythrozyten nach verschiedenen osmotischen Störungen gemessen. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte mathematische Modellierung trägt zum Verständnis der gegenseitigen Abhängigkeiten bei, die bei der Ionenregulierung des Malariaparasiten eine Rolle spielen, und bietet einen Rahmen für das Verständnis der Auswirkungen von "Ionentransport-hemmenden" Malariamitteln. / Malaria is currently responsible for more than 200 million estimated cases and half a million deaths annually, with the majority of cases and deaths attributable to Plasmodium falciparum, one of six strains of malaria parasite able to infect humans. The P. falciparum parasite has developed varying degrees of resistance against most, if not all, of the antimalarial drugs currently available and there is an ongoing need to develop new antimalarial agents. Two compounds, which are currently in clinical trials against malaria target an ’ion pump’ on the surface membrane of the malaria parasite. Ion regulation in the P. falciparum parasite has been the subject of extensive studies over recent decades. This research has led to a general understanding of how the parasite regulates its internal ionic composition. However, there has not yet been any attempt to integrate these findings into a quantitative model. In the work presented in this thesis, I have developed a mathematical model for ion homeostasis in the asexual intra-erythrocytic blood-stage of the P. falciparum parasite. The model provides new insights into formerly unexplained in vitro observations and predicts interactions of ion transport inhibitors. The newly formulated model of ion regulation in the parasite was integrated with a pre-existing mathematical model for ion regulation in the host erythrocyte to generate a preliminary ’combined model’ of the parasite-infected erythrocyte as a whole. Outputs from this combined model were compared to the results from a limited number of experiments conducted in the course of this thesis. These experiments entailed measuring the change of infected erythrocytes following different osmotic perturbations. The mathematical modelling conducted in the course of this work adds to the understanding of the interdependencies involved in malaria parasite ion regulation and provides a framework to help understand the effects of ’ion-transport-inhibiting’ antimalarial agents.

Der Skelettmuskel ist ein dynamisches Gewebe, das seine Funktionalität durch Anpassung des Gleichgewichts zwischen Proteinabbau und Proteinsynthese aufrechterhält. Kritisch kranke septische Patienten in der Intensivstation erleiden häufig eine dort erworbene tiefgreifende Muskelschwäche und –atrophie (intensive care unit acquired weakness, ICUAW). Es gibt Hinweise darauf, dass die Regenerationsfähigkeit des Muskels bei kritisch kranken Patienten beeinträchtigt ist. Die Pathogenese der ICUAW ist nur unzureichend verstanden, jedoch werden Sepsis und Entzündungen als führende Risikofaktoren angesehen. In früheren RNA-Sequenzierungsanalysen aus Muskeln septischer Mäuse wurde eine Herunterregulierung des Transforming Growth Factor beta (TGF-β)-Signals und eine erhöhte Genexpression von SPRY domain and SOCS-box containing protein 1 (SPSB1) gefunden. Ich stellte also die Hypothese auf, dass SPSB1 die Proteinhomöostase im Muskel beeinträchtigt, indem es den TGF-β/TβRII-Signalweg beeinflusst und eine entzündungsinduzierte Muskelatrophie verursacht. Die quantitative Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion verifizierte eine erhöhte Spsb1/SPSB1-Expression im Skelettmuskel von septischen Mäusen und ICUAW-Patienten. Die inflammatorischen Zytokine IL-6, IL-1β und Tumor-Nekrose-Faktor induzierten Spsb1 in C2C12-Myozyten in vitro. Die Überexpression von SPSB1 hemmte den TGF-β-Akt-Signalweg durch Destabilisierung von TβRII, was zu einer reduzierten Proteinsynthese in Myozyten führte. Als Konsequenz beeinträchtigte die SPSB1-Überexpression die Myogenese von C2C12-Myoblasten, gemessen an reduzierten Differenzierungs- und Fusionsindizes, sowie einer verminderten Protein- und mRNA-Expression der Differenzierungsfaktoren Mymk, Mymx, Myog, Myh1, 3 und 7. Zusammengenommen hemmt SPSB1 den TβRII-Signalweg im entzündeten Skelettmuskel, was die Myogenese beeinträchtigt. Daher könnte die Hemmung von SPSB1 hilfreich sein, um entzündungsinduziertes Muskelversagen zu verhindern. / Skeletal muscle is a dynamic tissue which maintains its functionality by adapting the balance between protein degradation and protein synthesis. Critically ill septic patients often develop intensive care unit acquired weakness (ICUAW), characterized by profound muscle weakness and atrophy. Emerging evidence suggests that the regenerative ability is impaired in patients with ICUAW. However, the pathogenesis of this disease is poorly understood. Sepsis and inflammation are considered as leading risk factors for ICUAW. In previous RNA sequencing analyses from muscle of septic mice, downregulation of transforming growth factor beta (TGF-β)-signaling and an increased gene expression of SPRY domain and SOCS-box containing protein 1 (SPSB1) have been found. If SPSB1 and TGF-β signaling play a role in inflammation-induced muscle atrophy was unknown. I hypothesized that SPSB1 impairs protein homeostasis in muscle by affecting TGF-β/TβRII signaling and causes inflammation-induced muscle atrophy. Quantitative real-time polymerase chain reaction verified increased Spsb1/SPSB1 expression in skeletal muscle of septic mice and ICUAW patients. The inflammatory cytokines IL-6, IL-1β and tumor necrosis factor induced Spsb1 in C2C12 myocytes in vitro. Overexpression of SPSB1 inhibited the TGF-β-Akt signaling pathway by destabilization of TβRII, leading to reduced protein synthesis in myocytes. These effects on TβRII signaling were mediated by the SPRY- and SOCS-box domains of SPSB1. As a consequence, SPSB1 overexpression impaired myogenesis of C2C12 myoblasts as measured by reduced differentiation and fusion indices, decreased protein and mRNA expression of the differentiation factors Mymk, Mymx, Myog, Myh1, 3 and 7. Taken together, SPSB1 binds and inhibits TβRII signaling in the inflammatory skeletal muscle resulting in impaired myogenesis. Therefore, inhibition of SPSB1 could be useful to prevent inflammation-induced muscle failure.

Die Störung der intestinalen Mikrozirkulation gilt als ein kardinaler Mechanismus für die Entwicklung des Multiorganversagens bei Sepsis. Da das Intestinum für mikrozirkulatorische Studien klinisch kaum zugänglich ist, wurden die Auswirkungen einer Therapie mit den antioxidativen Substanzen Oxypurinol und U-74389G (Lazaroid) bzw. den vasoaktiven Substanzen Iloprost (Prostacyclin-Analogon) und Dopexamin auf die intestinale Mikrozirkulation und die systemische Mediatorfreisetzung in einem Tiermodell mit moderater und hoher Endotoxin-Belastung untersucht. Die intravitalmikroskopische Untersuchung der Kapillarperfusion in der Muskularisschicht bei Endotoxinämie erbrachte eine Verbesserung durch Oxypurinol- und Dopexamingabe. Die Perfusion der Mukosa konnte vor allem durch eine Iloprostapplikation gesteigert werden. Die Endotoxin-induzierte, intestinale Leukozytenadhärenz wurde insbesondere durch die Behandlung mit den antioxidativen Substanzen vermindert. Beide therapeutischen Optionen bewirkten eine ca. 60 %ige Reduktion der initialen Tumornekrosefaktor-alpha-Freisetzung in der Versuchsreihe mit der niedrigeren Endotoxin-Dosis. Parallel dazu konnte anhand von Malondialdehyd-Analysen gezeigt werden, dass Oxypurinol und U-74389G wirksam die intestinale, Radikal-induzierte Lipidperoxidation verringerten. Der intestinale mikrovaskuläre Blutfluss konnte durch beide vasoaktiven Substanzen - sowohl bei moderater als auch bei erhöhter Endotoxin-Dosierung - signifikant gesteigert werden. Die Ergebnisse beider Teilstudien bestätigten, dass sowohl reaktive Sauerstoffspezies als auch eine inadäquate Perfusion in der Mikrozirkulation wesentliche pathogenetische Faktoren bei Endotoxinämie bzw. Sepsis darstellen und entsprechende Therapieformen indiziert und effektiv sind. Eine kombinierte Gabe beider Substanzklassen erscheint daher sinnvoll und sollte in weiteren tierexperimentellen und klinischen Studien evaluiert werden. / The disturbance of the intestinal microcirculation is regarded as a pivotal mechanism in the development of multiorgan failure related to sepsis. Since the intestine is clinically not accessible for microcirculatory studies, the effects of a therapy with the antioxidants oxypurinol and U-74389G (lazaroid) as well as the vasoactive substances iloprost (a prostacyclin analogue) and dopexamine on the intestinal microcirculation and the systemic mediator release was studied in an animal model with moderate and high endotoxin challenge. The intravital microscopic examination of the capillary perfusion in the muscularis layer of the intestine during endotoxemia revealed an improvement by administration of oxypurinol and dopexamine. The perfusion of the mucosa could be increased by iloprost administration. The amount of the endotoxin induced, intestinal leukocyte adherence was especially decreased by the treatment with the antioxidants. Both therapeutic options caused a 60 % reduction in the initial tumor necrosis factor-alpha-release in the experiments with the lower endotoxin dose. Malondialdehyde analyses showed that oxypurinol and U-74389G reduced effectively the intestinal, radical-induced lipid peroxidation. The intestinal microvascular blood flow could be significantly increased by both vasoactive substances - as well as with moderately than also with elevated endotoxin-dosage. The results of the study confirmed that both reactive oxygen-species as well as an inadequate perfusion in the microcirculation represent essential pathogenetic factors during endotoxemia as well as sepsis and index corresponding therapy-forms and participates effective. A combined offering both substance-classes appears therefore meaningfully and should be evaluated in further experimental and clinical studies.

Das HIV-1 Tat-Protein hemmt die Peptidase-Aktivität des 20S Proteasoms durch Konkurrenz mit dem 11S Regulator/PA28 um die Bindungsstelle am Proteasom. Aus den kinetischen Daten und durch Strukturvergleiche geht hervor, dass die Aminosäuren Lys51, Arg52 und Asp67 des Tat-Proteins für den Effekt auf das 20S Proteasom verantwortlich sind und die REG/Tat-Proteasom-Bindungsstelle bilden. Eine in der 11S Regulator alpha-Untereinheit (REG alpha) identifizierte vergleichbare Struktur wird von den Aminosäuren Glu235, Lys236 und Lys239 gebildet. Durch eine Mutation der REG alpha Aminosäuren Glu235 und Lys236 zu Ala geht die Fähigkeit des REG alpha die Peptidase-Aktivität des 20S Proteasoms zu stimulieren verloren, während die Bindungsfähigkeit an den 20S Komplex erhalten bleibt. Die Bindungsstelle in REG alpha ist für die verstärkte Präsentation eines Epitops des Cytomegalovirus pp89 durch MHC Klasse I essentiell. Das Tat-Protein und das Tat-Peptid 37-72 unterdrücken die 11S-Regulator vermittelte Antigenpräsentation des pp89 Epitops. Im Gegensatz dazu weist das Tat-Peptid mit Mutation der Aminosäuren Lys51, Arg52 und Asp67 zu Ala keine Reduktion der Antigenpräsentation auf. / The HIV-1 Tat protein inhibits the peptidase activity of the 20S proteasome and competes with the 11S regulator/PA28. Kinetic assays and structural comparison found amino acids Lys51, Arg52 and Asp67 of Tat to be responsible for the effects on proteasomes, forming the REG/Tat-proteasome-binding site. A similar site identified in the 11S regulator alpha subunit (REG alpha) consists of the residues Glu235, Lys236 and Lys239. Mutation of the REG alpha amino acids Glu235 and Lys236 to Ala resulted in a REG alpha mutant that lost the ability to activate the 20S proteasome even though it still binds to the 20S complex. The site in REG alpha is needed to enhance the presentation of a cytomegalovirus pp89 protein-derived epitope by MHC class I molecules. Full-length Tat and the Tat peptide 37-72 suppressed 11S regulator-mediated presentation of the pp89 epitope. In contrast, a Tat peptide with mutation of amino acids Lys51, Arg52 and Asp67 to Ala was not able to reduce antigen presentation.