Die Tätigkeit des Singens ist für den Menschen von kultureller, anthropologischer, sozialer und ontogenetischer Bedeutung. Aktuelle Entwicklungen, die sich seit rund einem Jahrzehnt innerhalb der vokalpädagogischen Praxis mit Kindern im Bereich von Kindertagesstätten, von Grundschulen, Musikhochschulen und weiteren Ausbildungsinstitutionen vollziehen, zeigen, dass dem Singen mit Kindern ebenfalls eine große didaktische Relevanz zukommt. Der Bedarf an vokalpädagogischen Angeboten nimmt stetig zu, doch war bislang ungeklärt, was gute vokalpädagogische Praxis angesichts höchst heterogener Angebote ausmacht. Daher wurde in der vorliegenden Dissertation zum einen der Frage nachgegangen, wie sich der Qualitätsbegriff für die vokalpädagogische Praxis bestimmen lässt. Zum anderen wurden Merkmale eruiert, welche gute vokalpädagogische Praxis charakterisieren. Ausgehend von diesen Leitfragen wurde zunächst der Qualitätsbegriff für die vokalpädagogische Praxis mit Kindern auf theoretisch-systematische Weise bestimmt. Dabei konnten durch Anwendung und Übertragung empirisch belegter, fachunspezifischer Qualitätsmerkmale Ziele und leitende Prinzipien für die vokalpädagogische Praxis systematisch ermittelt werden, die den Besonderheiten musikalischen, vokalen und ästhetischen Lernens Rechnung tragen. Anschließend wurden diese Ziele und Prinzipien in einem mehrebenenanalytischen Modell zur Qualität in der vokalpädagogischen Praxis mit Kindern aufeinander bezogen; dabei wurden die Zielsetzungen zum Singen mit Kindern sowohl auf Prozessebene als auch auf Produktebene formuliert und begründet. Das Modell stellt das zentrale Ergebnis der Arbeit dar. Schließlich wurden für die konkrete Anwendung und Nutzung in der vokalpädagogischen Praxis acht Merkmale guter vokalpädagogischer Praxis aus dem Modell expliziert, welche zugleich die wesentlichen Aspekte des vorgestellten Modells zusammenfassen. Zudem konnten auf Basis des Modells Maßnahmen für die Qualitätsentwicklung vokalpädagogischer Praxis entwickelt werden, was als weiteres praxisorientiertes Ziel der vorliegenden Arbeit zu verstehen ist. / The activity of singing is of cultural, anthropological, social and ontogenetic relevance for the human being. Current developments that have taken place within the practice of vocal education with children in daycare centers, primary schools, music colleges and other educational establishments for about a decade, show that singing with children is also of major didactic importance. The need for offers in vocal education is continuously growing. However, what constitutes good practice in vocal education in view of extremely heterogeneous offers has so far remained unresolved. That is why this dissertation, on the one hand, pursues (explores) the question how the concept of quality can be defined for the practice of vocal education. On the other hand, it determines features that characterize a good practice of vocal education. On the basis of these key questions, first, the concept of quality for the practice of vocal education with children was defined in a theoretico-systematic way. In doing so the application and transfer of empirically proven, unspecific quality features made it possible to systematically identify (determine), for the practice of vocal education, objectives and guiding principles that take account of the specific features of musical, vocal and aesthetic learning. These objectives and principles were then set in relation to a multi-level (analytical) model of quality in the practice of vocal education with children. Thus the objectives for singing with children were defined and substantiated both at the process level and the product level. The model represents the central (main) result of this study. Finally, eight characteristics of a good practice of vocal education were expatiated on the basis of the model, which, at the same time, summarize the essential aspects of the model presented. In addition, it was possible to develop measures for improving the quality of the practice of vocal education, which represents another practice-oriented objective of this study.

Die Arbeit befasst sich mit Neu- und Weiterentwicklungen von Dichtefunktionalmethoden und deren Anwendung zur Untersuchung von komplexen Systemen aus Fullerenen. Nach einer kurzen Einf¨uhrung in die theoretischen Grundlagen wird zun¨achst das Problem der Konstruktion optimierter lokaler Basiss¨atze aus Gaussfunktionen behandelt. Die Bestimmung der Exponenten und Kontraktionskoeffizienten erfolgt hierbei auf der Grundlage des Variationsprinzips. Die f¨ur verschiedene Systeme berechneten Grundzustandsgeometrien, Bindungs- und Ionisationsenergien, Dipolmomente, Polarisierbarkeiten und Schwingungsfrequenzen best¨atigen die hohe Zuverl¨assigkeit der generierten Basiss¨atze. Im n¨achsten Abschnitt wird ein neues Verfahren vorgestellt, das die Berechnung von Infrarotabsorptions-Intensit¨aten und Ramanstreuquerschnitten f¨ur Molek¨ul- und Clusterschwingungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie erm¨oglicht. Der Formalismus basiert auf einer numerischen Bestimmung von Schwingungseigenmoden, dynamischen Dipolmomenten und dynamischen Polarisierbarkeiten. Untersuchungen zur Stabilit¨at des Verfahrens sowie Ergebnisse f¨ur experimentell gut charakterisierte Molek¨ule und Cluster werden pr¨asentiert. Da Implementierungen des vollst¨andigen Dichtefunktional-Formalismus erhebliche Computerressourcen beanspruchen, kommt auch der Weiterentwicklung approximativer Varianten eine grosse Bedeutung zu. Deshalb besch¨aftigt sich ein Teil der Arbeit mit Modifikationen der Dichtefunktional-Tight-Binding (DF-TB) Methode, die zu dieser Klasse von Verfahren geh¨ort. Durch eine ver¨anderte Berechnungsvorschrift f¨ur die Elemente der Hamiltonmatrix und die Einf¨uhrung einer Atomladungs-Selbstkonsistenz kann eine verbesserte Beschreibung von Molek¨ulen, Clustern und Festk¨orpern erreicht werden. Die breite Anwendbarkeit des DF-TB-Schemas zeigt sich bei der Berechnung von Strukturen, Bindungsenergien, Dissoziationsbarrieren und Schwingungseigenschaften f¨ur Fulleren-Oligomere [C60]_N (N=2-4). Zusammenh¨ange zwischen Struktur und Schwingungsverhalten dieser Systeme werden aufgezeigt, was eine teilweise Zuordnung der im Experiment beobachteten Ramansignale erm¨oglicht.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit theoretischen Untersuchungen struktureller Eigenschaften komplexer Bornitrid-Systeme. Die Rechnungen basieren auf einem Dichtefunktional- Tight-Binding-Verfahren. Die interatomaren Potentiale fuer das heteronukleare System sowie die Wechselwirkung mit Wasserstoff werden in Anpassung an ab-initio-Daten abgeleitet. Mit ausfuehrlichen Testrechnungen an theoretisch wie experimentell gut charakterisierten Systemen wird gezeigt, dass die Tight-Binding-Potentiale die mannigfaltigen Bindungstypen in BN-Systemen richtig beschreiben. Im Hauptteil der Arbeit werden in Anwendung der Methode experimentell relevante Fragestellungen untersucht. Zunaechst werden die Rekonstruktionen verschiedener Kristalloberflaechen des kubischen Bornitrid (c-BN) berechnet. In Anlehnung an experimentelle Ergebnisse wird die Grenzflaeche zwischen kubischem und hexagonalem BN hinsichtlich ihres atomaren Aufbaues und ihrer energetischen Stabilitaet untersucht. Eine ausfuehrliche Diskussion struktureller Eigenschaften von amorphen Bornitrid-Modellen folgt im Anschluss. Die Betrachtung von Modellen unterschiedlicher Massendichte ermoeglicht es, Rueckschluesse auf grundlegende Mechanismen der Strukturbildung kristalliner Phasen zu ziehen. Der Einbau atomaren Wasserstoffs in verschiedene Bornitrid-Kristallgitter wird im abschliessenden Abschnitt untersucht. Weiterhin wendet sich die Arbeit ternaeren Materialien (Bor-Kohlenstoff-Stickstoff) zu. Es werden Stabilitaet und strukturelle Eigenschaften von kubischen BC2N-Kristallen diskutiert. Die gezeigte Anwendbarkeit der Methode auf derartige Materialien eroeffnet zugleich Perspektiven fuer kuenftige Arbeiten.

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RNA-binding proteins (RBPs) have been extensively studied in eukaryotes, where they post-transcriptionally regulate many cellular events including RNA transport, translation, and stability. Experimental techniques, such as cross-linking and co-purification followed by either mass spectrometry or RNA sequencing has enabled the identification and characterization of RBPs, their conserved RNA-binding domains (RBDs), and the regulatory roles of these proteins on a genome-wide scale. These developments in quantitative, high-resolution, and high-throughput screening techniques have greatly expanded our understanding of RBPs in human and yeast cells. In contrast, our knowledge of number and potential diversity of RBPs in bacteria is comparatively poor, in part due to the technical challenges associated with existing global screening approaches developed in eukaryotes. Genome- and proteome-wide screening approaches performed in silico may circumvent these technical issues to obtain a broad picture of the RNA interactome of bacteria and identify strong RBP candidates for more detailed experimental study. Here, I report APRICOT (“Analyzing Protein RNA Interaction by Combined Output Technique”), a computational pipeline for the sequence-based identification and characterization of candidate RNA-binding proteins encoded in the genomes of all domains of life using RBDs known from experimental studies. The pipeline identifies functional motifs in protein sequences of an input proteome using position-specific scoring matrices and hidden Markov models of all conserved domains available in the databases and then statistically score them based on a series of sequence-based features. Subsequently, APRICOT identifies putative RBPs and characterizes them according to functionally relevant structural properties. APRICOT performed better than other existing tools for the sequence-based prediction on the known RBP data sets. The applications and adaptability of the software was demonstrated on several large bacterial RBP data sets including the complete proteome of Salmonella Typhimurium strain SL1344. APRICOT reported 1068 Salmonella proteins as RBP candidates, which were subsequently categorized using the RBDs that have been reported in both eukaryotic and bacterial proteins. A set of 131 strong RBP candidates was selected for experimental confirmation and characterization of RNA-binding activity using RNA co-immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing (RIP-Seq) experiments. Based on the relative abundance of transcripts across the RIP-Seq libraries, a catalogue of enriched genes was established for each candidate, which shows the RNA-binding potential of 90% of these proteins. Furthermore, the direct targets of few of these putative RBPs were validated by means of cross-linking and co-immunoprecipitation (CLIP) experiments. This thesis presents the computational pipeline APRICOT for the global screening of protein primary sequences for potential RBPs in bacteria using RBD information from all kingdoms of life. Furthermore, it provides the first bio-computational resource of putative RBPs in Salmonella, which could now be further studied for their biological and regulatory roles. The command line tool and its documentation are available at https://malvikasharan.github.io/APRICOT/. / RNA-bindende Proteine (RBPs) wurden umfangreich in Eukaryoten erforscht, in denen sie viele Prozesse wie RNA-Transport, -Translation und -Stabilität post-transkriptionell regulieren. Experimentelle Methoden wie Cross-linking and Koimmunpräzipitation mit nachfolgedener Massenspektromentrie / RNA-Sequenzierung ermöglichten eine weitreichende Charakterisierung von RBPs, RNA-bindenden Domänen (RBDs) und deren regulatorischen Rollen in eukaryotischen Spezies wie Mensch und Hefe. Weitere Entwicklungen im Bereich der hochdurchsatzbasierten Screeningverfahren konnten das Verständnis von RBPs in Eukaryoten enorm erweitern. Im Gegensatz dazu ist das Wissen über die Anzahl und die potenzielle Vielfalt von RBPs in Bakterien dürftig. In der vorliegenden Arbeit präsentiere ich APRICOT, eine bioinformatische Pipeline zur sequenzbasierten Identifikation und Charakterisierung von Proteinen aller Domänen des Lebens, die auf RBD-Informationen aus experimentellen Studien aufbaut. Die Pipeline nutzt Position Specific Scoring Matrices und Hidden-MarkovModelle konservierter Domänen, um funktionelle Motive in Proteinsequenzen zu identifizieren und diese anhand von sequenzbasierter Eigenschaften statistisch zu bewerten. Anschließend identifiziert APRICOT mögliche RBPs und charakterisiert auf Basis ihrer biologischeren Eigenschaften. In Vergleichen mit ähnlichen Werkzeugen übertraf APRICOT andere Programme zur sequenzbasierten Vorhersage von RBPs. Die Anwendungsöglichkeiten und die Flexibilität der Software wird am Beispiel einiger großer RBP-Kollektionen, die auch das komplette Proteom von Salmonella Typhimurium SL1344 beinhalten, dargelegt. APRICOT identifiziert 1068 Proteine von Salmonella als RBP-Kandidaten, die anschließend unter Nutzung der bereits bekannten bakteriellen und eukaryotischen RBDs klassifiziert wurden. 131 der RBP-Kandidaten wurden zur Charakterisierung durch RNA co-immunoprecipitation followed by high-throughput sequencing (RIP-seq) ausgewählt. Basierend auf der relativen Menge an Transkripten in den RIP-seq-Bibliotheken wurde ein Katalog von angereicherten Genen erstellt, der auf eine potentielle RNA-bindende Funktion in 90% dieser Proteine hindeutet. Weiterhin wurden die Bindungstellen einiger dieser möglichen RBPs mit Cross-linking and Co-immunoprecipitation (CLIP) bestimmt. Diese Doktorarbeit beschreibt die bioinformatische Pipeline APRICOT, die ein globales Screening von RBPs in Bakterien anhand von Informationen bekannter RBDs ermöglicht. Zudem enthält sie eine Zusammenstellung aller potentieller RPS in Salmonella, die nun auf ihre biologsche Funktion hin untersucht werden können. Das Kommondozeilen-Programm und seine Dokumentation sind auf https://malvikasharan.github.io/APRICOT/ verfügbar.

Gegen Ende der ersten Dekade des 21. Jahrhunderts rückte eine lange in Vergessenheit geratene Bedrohung für die Seefahrt schlagartig wieder ins Bewusstsein der Öffentlichkeit: Die Piraterie. Überfälle von Seeräubern, vor allem auf Frachtschiffe, begannen sich zu häufen. Die Vorfälle, um die es in der Berichterstattung der Medien ging, spielten sich vor der Küste Somalias ab. Diese somalische Piraterie wurde schnell zu einem derart großen Problem für die Wirtschaft der westlichen Welt, dass bald über Maßnahmen zu deren Bekämpfung nachgedacht wurde. Als Mittel der Wahl wurden hierfür Kriegsschiffe ausgemacht. In der Folge startete die EU die erste maritime Militäroperation in ihrer Geschichte, an der sich auch Deutschland von Anfang an beteiligte. Diese Militäroperation, ”Atalanta“ genannt, wirft verschiedene rechtliche Fragen aus verschiedenen Ebenen des internationalen und nationalen Rechts auf, deren Beantwortung sich das vorliegende Werk zum Ziel gesetzt hat. Neben der Bekämpfung der somalischen Piraterie und deren Methoden werden dabei auch die historischen und soziologischen Hintergründe dieser Bedrohung für den freien Welthandel beleuchtet. / At the beginning of the 21st century piracy at sea rose up again, this time in the Indian Ocean off the coast of Somalia. This piracy turned out to be a major problem for international trade. As a result, several countries and also the European Union decided to launch a military mission to fight piracy in the Indian Ocean. The german armed forces participated in this military mission from the beginning. From a legal point of view this participation causes several questions regarding international law as well as german law. This dissertation aims at answering these legal questions.

In contrast to common bone fractures, critical size bone defects are unable to self-regenerate and therefore external sources for bone replacement are needed. Currently, the gold standard to treat critical size bone fractures, resulting from diseases, trauma or surgical interventions, is the use of autologous bone transplantation that is associated with several drawbacks such as postoperative pain, increased loss of blood during surgery and extended operative time. The field of bone tissue engineering focuses on the combination of biomaterials and growth factors to circumvent these adverse events and thereby to improve critical size bone defects treatment. To this aim, a promising approach is represented by using a collagen sponge soaked with one of the most powerful osteoinductive proteins, the bone morphogenetic protein 2 (BMP2). After the approval by the Food and Drug Administration (FDA), BMP2 was used to successfully treat several severe bone defects. However, the use of BMP2 delivery systems is associated with severe side effects such as inflammation, swelling, ectopic bone formation outside of the site of implantation and breathing problems if implanted in the area of the cervical spine. The occurrence of severe side effects is related to the supraphysiological amounts of the applied protein at the implantation site. The BMP2 is typically adsorbed into the scaffold and diffuses rapidly after implantation. Therefore, intensive research has been conducted to improve the protein’s retention ability, since a prolonged entrapment of the BMP2 at the implantation site would induce superior bone formation in vivo due to a minimized protein release. By controlling the release from newly designed materials or changing the protein immobilization methods, it seems possible to improve the osteoinductive properties of the resulting BMP2-functionalized scaffolds. The combination of biocompatible and biodegradable scaffolds functionalized with a covalently immobilized protein such as BMP2 would constitute a new alternative in bone tissue engineering by eliminating the aforementioned severe side effects. One of the most common immobilization techniques is represented by the so-called EDC/NHS chemistry. This coupling technique allows covalent biding of the growth factor but in a non-site direct manner, thus producing an implant with uncontrollable and unpredictable osteogenic activities. Therefore, the generation of BMP2 variants harboring functional groups that allow a site-directed immobilization to the scaffold, would enable the production of implants with reproducible osteogenic activity. The new BMP2 variants harbor an artificial amino acid at a specific position of the mature polypeptide sequence. The presence of the unnatural amino acid allows to use particular covalent immobilization techniques in a highly specific and site directed manner. The two selected BMP2 variants, BMP2 E83Plk and BMP2 E83Azide, were expressed in E. coli, renatured and purified by cation exchange chromatography. The final products were intensively analyzed in terms of purity and biological activity in vitro. The two BMP2 variants enabled the application of different coupling techniques and verify the possible options for site directed immobilization to the scaffold. Intensive analyses on the possible side effects caused by the coupling reactions and on the quantification of the coupled protein were performed. Both click chemistry reactions showed high reaction efficacies when the BMP2 variants were coupled to functionalized fluorophores. Quantification by ELISA and scintillation counting of radioactively labeled protein revealed different outcomes. Moreover, the amounts of protein detected for the BMP2 variants coupled to microspheres were similar to that of the wild type protein. Therefore, it was not possible to conclude whether the BMP2 variants were covalently coupled or just adsorbed. BMP2 variants being immobilized to various microspheres induced osteogenic differentiation of C2C12 cells in vitro, but only in those cells that were located in close proximity to the functionalized beads. This selectivity strongly indicates that the protein is for a great portion covalently coupled and not just adsorbed. Moreover, the difference between the covalently coupled BMP2 variants and the adsorbed BMP2 WT was confirmed in vivo. Injection of the BMP2-functionalized microspheres in a rat model induced subcutaneous bone formation. The main aim of the animal experiment was to prove whether covalently coupled BMP2 induces bone formation at significant lower doses if compared to the amount being required if the protein is simply adsorbed. To this aim, several BMP2 concentrations were tested in this animal experiment. The BMP2 variants, being covalently immobilized, were hypothesized to be retained and therefore bio-available at the site of implantation for a prolonged time. However, in the animal experiments, lower doses of either coupled or adsorbed protein were unable to induce any bone formation within the 12 weeks. In contrast, the highest doses induced bone formation that was first detected at week 4. During the 12 weeks of the experiment, an increase in bone density and a steady state bone volume was observed. These results were obtained only for the covalently coupled BMP2 E83Azide but not for BMP2 E83Plk that did not induce bone formation in any condition. The negative outcome after application of BMP2 E83Plk suggested that the coupling reaction might have provoked changes in the protein structure that extremely influenced its osteogenic capabilities in vivo. However, the histological examination of the different ossicles induced either by BMP2 WT or BMP2 E83Azide, revealed clear morphological differences. BMP2 WT induced a bone shell-like structure, while the covalently coupled protein induced uniform bone formation also throughout the inner part. The differences between the two newly formed bones can be clearly associated with the different protein delivery mechanisms. Thus, the developed functionalized microspheres constitute a new interesting strategy that needs further investigations in order to be able to be used as replacement of the currently used BMP2 WT loaded medical devices. / Knochendefekte kritischer Größe sind im Vergleich zu normalen Knochenfrakturen nicht in der Lage selbst zu heilen. Daher werden zusätzlich Knochenersatzmaterialien zu deren Heilung benötigt. Der derzeitige Goldstandard in der Behandlung dieser Defekte, die durch Krankheiten, Traumata oder durch chirurgische Eingriffe hervorgerufen werden können, ist Transplantation autologen Knochens, was jedoch mit einigen Nachteilen verbunden ist. Als Alternative können neuartige biokompatible Materialien mit intrinsischem osteogenen Potential verwendet werden. Solche Materialien können Wachstumsfaktoren beinhalten welche aktiv die Heilung des beschädigten Knochens fördern. Ein vielversprechender Ansatz um dieses Ziel zu erreichen, ist der Einsatz eines Kollagenträgers, welcher mit einem der stärksten osteoinduktiven Proteine, dem Bone Morphogenic Protein 2 (BMP2) dotiert ist. Nach der Genehmigung durch die Food and Drug Administration (FDA), wurde BMP2 erfolgreich bei der Behandlung von schwerwiegenden Knochendefekten eingesetzt. Daher wird es als bisher beste Alternative zu autologen Transplantaten sowie als beste Möglichkeit zur Anregung der Knochenneubildung angesehen. Nichtdestotrotz geht der Einsatz von mit BMP2 beladenen Trägersystemen mit Nebenwirkungen, wie Entzündungen Schwellungen, Knochenwucherungen abseits des behandelten Defektes sowie Atembeschwerden bei Behandlungen im Bereich der Halswirbelsäule einher. Die Nebenwirkungen werden durch die supraphysiologische Menge an Protein, mit der die Trägerstruktur beladen wird hervorgerufen. Jedoch ist solch eine Menge an Protein nötig, da die Abgabe des Proteins an der Transplantationsstelle sehr schnell abläuft. Deshalb konzentriert sich die Forschung auf die Verbesserung der Freisetzungskinetik, da ein längerer Verbleib des BMP2 an der Implantationsstelle sowie eine verringerte Freisetzung des Proteins eine bessere Knochenbildung in vivo herbeiführt. Die Freisetzungskinetik kann durch die Eigenschaften neu entwickelter Materialien selbst oder durch alternative Methoden der Kopplung des Proteins an die Trägerstruktur verändert werden. Die Kombination aus biokompatiblen sowie biodegradierbaren Trägerstrukturen, an die über kovalente Bindungen BMP2 gebunden wird, stellt eine vielversprechende Alternative dar, welche die vorgenannten Nebenwirkungen bei der Knochenregeneration eliminiert. Die am häufigsten eingesetzte Methode zur kovalenten Anbindung von Proteinen an Trägerstukturen erfolgt über die sogenannte EDC/NHS-Chemie. Diese Technik erlaubt die allerdings nur eine ungerichtete Anbindung wodurch die standardisierte Reproduktion eines möglichen Medizinproduktes erschwert wird. Als Resultat entstehen sehr wahrscheinlich Implantate mit unvorhersehbaren osteogenen Eigenschaften. Die Herstellung von BMP2-Varianten, welche gerichtet an Trägerstrukturen gekoppelt werden können, ermöglicht die Herstellung von Implantaten mit reproduzierbarer osteogener Aktivität. Alle hier vorgestellte Varianten beinhalten eine artifizielle Aminosäure an einer bestimmten Stelle in der Polypeptidsequenz. Die künstliche Aminosäure ermöglicht den Einsatz spezieller Kopplungschemien für kovalente Bindungen, welche dadurch per Definition spezifisch und gerichtet sind. Für weiterführende Experimente wurden die folgende BMP2-Varianten ausgewählt: BMP2 E83Plk und BMP2 E83Azide. Diese wurden durch Expression in E. coli gewonnen, renaturiert und mittels Ionenchromatographie aufgereinigt. Die gewonnenen Produkte wurden hinsichtlich ihrer Reinheit und biologischen Aktivität in vitro untersucht. Beide BMP2 Varianten ermöglichen den Einsatz verschiedener Kopplungstechniken an geeignete Trägerstrukturen. Analysen hinsichtlich möglicher Nebenwirkungen aufgrund der Kupplungsreaktion sowie die genaue Quantifizierung der gekoppelten Proteine auf den Mikrosphären wurden durchgeführt. Beide Kopplungsstrategien zeigten eine hohe Effizienz wobei für die Quantifizierung der Proteinmengen mittels ELISA und Szintillationszählung unterschiedliche Werte gemessen wurden. Des Weiteren war die gemessene Proteinmenge von an Mikrosphären gekoppelten BMP2 Varianten in einem ähnlichen Bereich, wie die bei der ungekoppelten BMP2 WT Kontrolle gemessen wurden. Daher war es nicht möglich zu bestimmen, inwieweit die verwendeten BMP2-Varianten kovalent gebunden oder lediglich adsorbiert waren. Die BMP2 Varianten, die anhand der verwendeten Kopplungschemie in kovalent gebundener Form vorliegenden sollten, induzierten unabhängig vom jeweils verwendeten Material der Sphären die osteogene Differenzierung von C2C12 Zellen die in unmittelbarem Kontakt zu diesen Sphären standen. Im Falle von BMP2 WT beinhaltenden Sphären wurde auch Zelldifferenzierung in Distanz zu den einzelnen Sphären beobachten, was auf Diffusionsprozesse hindeutet. Da dies im Falle der kovalent gekoppelten BMP-2 Varianten nicht beobachtet werden konnte zeigt, dass das Protein hier zum Großteil kovalent gebunden vorliegt und nicht nur adsorbiert wird. Unterschiede zwischen den kovalent gebundenen BMP2 Varianten und dem adsorbierten Wildtyp zeigten sich auch in den Tierexperimenten. Mikrosphären, welche mit BMP2 WT oder einem der beiden BMP2 Varianten beladenen waren, wurden einer Ratte subkutan injiziert, was zu einer ektopen Knochenbildung führte. Das Ziel des Tierversuches war, zu überprüfen, ob geringere Dosen an kovalent gebundenem BMP2, verglichen mit der hohen benötigten Menge an adsorbiertem Protein diese Knochenneubildung induzieren kann. Dabei wurden verschiedene BMP2 Konzentrationen getestet. Die Hypothese war, dass die kovalent gebundenen BMP2 Varianten zurückgehalten werden beziehungsweise langsamer freigesetzt werden und daher über einen längeren Zeitraum an der Implantationsstelle wirksam sind. Allerdings konnte im Tierversuch weder durch niedrig dosiertes (< 10 μg) kovalent gebundenes noch durch adsorbiertes Protein innerhalb von 12 Wochen ektope Knochenbildung induziert werden. Dagegen konnte mit der höchsten Dosis bereits nach 4 Wochen Knochenbildung nachgewiesen werden. Während des zwölfwöchigen Experiments konnte ein Anstieg der Knochendichte und ein Steady State des Knochenvolumens beobachtet werden. Dies traf jedoch nur für das kovalent gebundene BMP2 E83Azide zu, jedoch nicht für das BMP2 E83Plk, welches bei allen Dosen kein Knochenwachstum hervorrufen konnte. Das negative Ergebnis nach der Gabe von BMP2 E83Plk deutet darauf hin, dass die hier verwendete Kopplungschemie möglicherweise eine Veränderung der Proteinstruktur bewirkt und dadurch die biologische Aktivität des Proteins verloren geht. Allerdings zeigten histologische Untersuchungen der gebildeten Knochenstrukturen, welche durch BMP2 WT oder durch BMP2 E83Azide hervorgerufen wurden, deutliche morphologische Unterschiede. BMP2 WT erzeugt eine solide schalenförmige Strukturen während das kovalent gebundene Protein ein eher gleichförmiges Knochenwachstum induziert, auch im Inneren der gebildeten Knochenstruktur, welches hier Reste implantierten Mikrosphären umschließt. Dies konnte nicht in den durch BMP2 WT induzierten Knochenstrukturen nachgewiesen werden. Der Unterschied zwischen den zwei Formen neu gebildeten Knochens kann mit den verschiedenen Freisetzungsmechanismen in Verbindung gebracht werden. Daher stellt die Entwicklung funktionalisierter Mikrosphären eine neue interessante Strategie dar, welche weiterführende Untersuchungen benötigt, um die aktuell genutzten BMP2 WT beinhaltenden Medizinprodukte zu ersetzen.

Cardiovascular diseases are considered the leading cause of death worldwide according to the World Health Organization. Heart failure is the last stage of most of these diseases, where loss of myocardium leads to architectural and functional decline. The definitive treatment option for patients with CVDs is organ or tissue transplantation, which relies on donor availability. Therefore, generating an autologous bioengineered myocardium or heart could overcome this limitation. In addition, generating cardiac patches will provide ventricular wall support and enable reparative stem cells delivery to damaged areas. Although many hurdles still exist, a good number of researches have attempted to create an engineered cardiac tissue which can induce endogenous cardiac repair by replacing damaged myocardium. The present study provided cardiac patches in two models, one by a detergent coronary perfusion decellularization protocol that was optimized, and the other that resulted in a 3D cell-free extracellular matrix with intact architecture and preserved s-glycosaminoglycan and vasculature conduits. Perfusion with 1% Sodium dodecyle sulfate (SDS) under constant pressure resulted in cell-free porcine scaffold within two and cell-free rat scaffold in 7 days, whereas scaffold perfused with 4% sodium deoxycholate (SDO) was not able to remove cells completely. Re-reendothelialization of tissue vasculature was obtained by injecting human microvascular endothelial cell and human fibroblast in 2:1 ratio in a dynamic culture. One-week later, CD31 positive cells and endothelium markers were observed, indicating new blood lining. Moreover, functionality test of re-endothelialized tissue revealed improvement in clotting seen in decellularized tissues. When the tissue was ready to be repopulated, porcine induced pluripotent stem cells (PiPSc) were generated by transfected reprogramming of porcine skin fibroblast and then differentiated to cardiac cells following a robust protocol, for an autologous cardiac tissue model. However, due to the limitation in the PiPSc cell number, alternatively, human induced pluripotent stem cells generated cardiac cells were used. For reseeding a coculture of human iPSc generated cardiac cells, human mesenchymal stem cells and human fibroblast in 2:1:1 ratio respectively were used in a dynamic culture for 6-8 weeks. Contractions at different areas of the tissue were recorded at an average beating rate of 67 beats/min. In addition, positive cardiac markers (Troponin T), Fibroblast (vemintin), and mesenchymal stem cells (CD90) were detected. Not only that, but by week 3, MSC started differentiating to cardiac cells progressively until few CD90 positive cells were very few by week 6 with increasing troponin t positive cells in parallel. Electrophysiological and drug studies were difficult to obtain due to tissue thickness and limited assessment sources. However, the same construct was established using small intestine submucosa (SISer) scaffold, which recorded a spontaneous beating rate between 0.88 and 1.2 Hz, a conduction velocity of 23.9 ± 0.74 cm s−1, and a maximal contraction force of 0.453 ± 0.015 mN. Moreover, electrophysiological studies demonstrated a drug-dependent response on beating rate; a higher adrenalin frequency was revealed in comparison to the untreated tissue and isoproterenol administration, whereas a decrease in beating rate was observed with propranolol and untreated tissue. The present study demonstrated the establishment of vascularized cardiac tissue, which can be used for human clinical application. / Etablierung eines endothelialisierten kardialen Gewebes mittels Kardiomyozyten, differenziert aus induzierten pluripotenten Stammzellen

Amplification of N-MYC is a poor prognostic and survival marker of neuroblastoma. To broaden the scope of knowledge in N-MYC cancer biology, interactors of N-MYC should be investigated. TFIIIC complex was identified as a new protein interacting partner of N-MYC. TFIIIC is a core component of RNAPIII transcription machinery which is important for the synthesis of tRNA genes. TFIIIC recognizes and binds to B-box located internal of tRNA genes which subsequently initiate the RNAPIII transcription process. Apart from the role in RNAPIII transcription machinery, TFIIIC is an architectural protein. TFIIIC binds to thousands of sites across the genome without RNAPIII and TFIIIB. These binding loci are known as Extra TFIIIC (ETC) sites at which TFIIIC perform its role in genome organization. However, knowledge of TFIIIC is mostly restricted to studies conducted in yeasts, the exact function of TFIIIC and how it regulates N-MYC remains to be elucidated. To obtain a better overview about TFIIIC functions, two TFIIIC subunits (TFIIIC5 and TFIIIC2) which represent sub-complexes A and B were chosen for investigation. ChIP-seq experiment of RNAPIII transcription machinery was performed. It showed that both TFIIIC subunits functioned together as a complex. Next, joint binding sites of two TFIIIC subunits and N-MYC were identified. The data revealed that co-occupancies between N-MYC and TFIIIC subunits had different preference on genomic distribution. Furthermore, TFIIIC5 exhibited strong binding association with architectural proteins RAD21 and CTCF whereas TFIIIC2 was only modestly enriched with these two proteins. Both TFIIIC subunits showed equal but weak enrichment with accessory protein CAPH2. Despite the weak association with other architectural proteins, TFIIIC2 binds preferentially to repetitive elements SINE. In order to understand how TFIIIC5 affects other architectural proteins in chromatin binding, cells were depleted of TFIIIC protein upon doxycycline induction of shRNA. N-MYC binding was not affected. Yet, 50% reduction of RAD21 binding to joint N-MYC/TFIIIC sites was noticed. CAPH2 binding was increased at some joint sites while some did not respond. Lastly, CTCF did not show changes in binding under the effect of TFIIIC5 knockdown. In summary, the data indicated TFIIIC subunits from different sub-complexes diverge in functions other than tRNA synthesis. The association of TFIIIC5 with architectural proteins and TFIIIC2 with SINE elements were suggested to be distinct mechanisms to regulate N-Myc directly or indirectly. / Die Amplifikation von N-MYC ist ein schlechter Prognose- und Überlebensmarker für Neuroblastome. Um den Kenntnisstand über die Krebsbiologie von N-MYC zu erweitern, Interaktoren von N-MYC sollten untersucht werden. Der TFIIIC-Komplex wurde als neuer interaktiver Partner von N-MYC identifiziert. TFIIIC ist eine Kernkomponente der RNAPIIITranskriptionsmaschinerie, die für die Synthese von tRNA-Genen wichtig ist. TFIIIC erkennt und bindet an B-Box innerhalb von tRNA-Genen, die anschließend den RNAPIIITranskriptionsprozess initiieren. Abgesehen von der Rolle in der RNAPIIITranskriptionsmaschinerie ist TFIIIC ein Architekturprotein. TFIIIC bindet an Tausende von Stellen im gesamten Genom ohne RNAPIII und TFIIIB. Diese Bindungsorte sind als Extra TFIIIC (ETC) -Stellen bekannt, an denen TFIIIC seine Rolle bei der Genomorganisation spielen kann. Das Wissen über TFIIIC beschränkt sich jedoch meist auf Studien, die mit Hefen durchgeführt werden. Die genaue Funktion von TFIIIC und die Art seiner Regulierung von NMYC sind noch zu klären. Um einen besseren Überblick über die TFIIIC-Funktionen zu erhalten, wurden zwei TFIIICUntereinheiten (TFIIIC5 und TFIIIC2) ausgewählt, die die Unterkomplexe A und B repräsentieren. Es wurde ein ChIP-seq-Experiment der RNAPIII-Transkriptionsmaschinerie durchgeführt. Es zeigte sich, dass beide TFIIIC-Untereinheiten zusammen als Komplex fungierten. Als nächstes wurden gemeinsame Bindungsstellen von zwei TFIIIC-Untereinheiten und N-MYC identifiziert. Die Daten zeigten, dass Co-Besetzungen zwischen N-MYC- und TFIIIC-Untereinheiten unterschiedliche Präferenzen bei der Verteilung von Genom hatten. Darüber hinaus zeigte TFIIIC5 eine starke Bindungsassoziation mit den Architekturproteinen RAD21 und CTCF, während TFIIIC2 mit diesen beiden Proteinen nur wenig angereichert war. Beide TFIIIC-Untereinheiten zeigten eine gleiche, aber schwache Anreicherung mit dem Zusatzprotein CAPH2. Trotz der schwachen Assoziation mit anderen Architekturproteinen bindet TFIIIC2 bevorzugt an repetitive Elemente SINE. Um zu verstehen, wie TFIIIC5 andere Architekturproteine bei der Chromatinbindung beeinflusst, wurden die Zellen bei der Doxycyclin-Induktion von shRNA an TFIIIC-Protein aufgebraucht. Die N-MYC-Bindung war nicht betroffen. Es wurde jedoch eine Verringerung der Bindung von RAD21 an gemeinsame N-MYC / TFIIIC-Stellen um 50% festgestellt. Die CAPH2-Bindung war an einigen gemeinsamen Stellen erhöht, während einige nicht reagierten. Schließlich zeigte CTCF keine Bindungsänderungen unter dem Einfluss von TFIIIC5-Knockdown. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass TFIIIC-Untereinheiten aus verschiedenen Unterkomplexen in anderen Funktionen als der tRNA-Synthese voneinander abweichen. Es wurde vermutet, dass die Assoziation von TFIIIC5 mit Architekturproteinen und TFIIIC2 mit SINE-Elementen unterschiedliche Mechanismen sind, um N-Myc direkt oder indirekt zu regulieren.

Cancer is a disease of uncontrolled cell proliferation and migration. Downregulation of antigen-presenting major histocompatibility complex (MHC) and co-stimulatory molecules are two of the most commonly used pathways by cancer cells to escape from immune surveillance. Therefore, many approaches have been developed for restoring the immune surveillance in cancer patients. One approach is to redirect the patient’s own T cells for tumor cell destruction. For T cell function it is important to induce a durable and robust cytotoxic response against target cells and to generate memory T cells, after MHC-mediated recognition of foreign intracellular antigens presented on the surface of antigen presenting cells (APC). Because of these cytotoxic properties, T cell mediated immunotherapy has been established as an effective and durable anti-neoplastic treatment. Different T cell mediated therapies for cancer treatment exist. One of them is using bispecific antibody fragments, so called bi-sepcific T cell engagers (BiTEs), for retargeting of T cells against single antigen positive tumor cells. The BiTE antibodies have two antigen binding domains, one against a target on the target cell, the second against CD3 on the T cells, facilitating cell-to-cell interactions. However, suitable single tumor antigens are limited, which restricts this approach to very few tumor types. To overcome this limitation, we have developed T cell-engaging antibody derivatives, termed hemibodies. Hemibodies exist as two complementary polypeptide chains. Each consists of two specific domains. On one end there is a single-chain variable fragment (scFv) against a target protein and on the other end there is either the heavy chain variable domain (VH) or light chain variable domain (VL) of an anti-CD3 binding antibody. Only when both hemibodies bind their respective antigens on the same tumor cell, the complementary anti CD3 VH and VL domains become aligned and reconstitute the functional CD3 binding-domain to engage T cells. For targeting malignant cells of hematopoietic origin, we used hemibodies against CD45 and HLA-A2. They were expressed in CHO cells, then purified via Strep-tag. To get more insight into the hemibody mechanism of T cell mediated target cell killing, we analyzed the biochemical and functional properties of hemibodies in more detail. Our main finding indicates that VLαCD3-scFvαHLA-A2 and VHαCD3-scFvαCD45 hemibodies induce an atypical immunological synapse characterized by a co-localization of HLA-A2 and CD45 out of the target cell -T cell interface. Nevertheless, hemibodies induce a high caspase activity in target cells in a concentration-dependent manner at nanomolar concentrations in vitro. Looking at ZAP70, which is usually recruited from the cytoplasm to the CD3 receptor in the middle of the cell-cell interface, we were able to detect activated ZAP70 outside of the cell-cell interface in the presence of hemibodies. In contrast cells treated with BiTEs show a central recruitment in the cell-cell interface as expected. We looked also at the interaction of hemibodies with soluble recombinant CD3 epsilon/gamma protein in the absence of target cells. The binding could be measured only at very high concentration out of the therapeutic window. This work contributes to the mechanistic understanding, which underlies the hemibody technology as a new dual antigen restricted T cell-mediated immunotherapy of cancer. / Krebs ist eine Krankheit mit unkontrollierter Zellproliferation und -migration. Die Herunterregulierung des antigen-präsentierenden Haupthistokompatibilitätskomplexes (MHC) und der co-stimulierenden Moleküle sind zwei der am häufigsten verwendeten Wege von Krebszellen, um der Immunüberwachung zu entkommen. Daher wurden viele Ansätze zur Wiederherstellung der Immunüberwachung bei Krebspatienten entwickelt. Ein Ansatz besteht darin, die eigenen T-Zellen des Patienten zur Zerstörung von Tumorzellen anzuleiten. T-Zellen zeichnen sich durch ihre schnelle Expansion nach MHC-vermittelter Erkennung von fremden intrazellulären Antigenen auf der Oberfläche von Antigen-präsentierenden Zellen (APC) aus. Darüber hinaus sind eine dauerhafte und robuste zytotoxische Immunantwort und die Erzeugung von Gedächtnis-T-Zellen wichtige Merkmale von T-Zellen. Aufgrund dieser Eigenschaften hat sich die T-Zell-vermittelte Immuntherapie als wirksame antineoplastische Behandlung in den letzten Jahren etabliert. Es gibt verschiedene Ansätze T-Zellen zur Krebsbehandlung zu nutzen. Ein Ansatz verwendet bispezifische Antikörperfragmente, sogenannte bi-sepezifische T-Zell-Engager (BiTEs), zum Retargeting von T-Zellen gegen Antigen-positive Tumorzellen. Die BiTE-Antikörper besitzen zwei Antigen-Bindungsdomänen. Eine ist gegen ein Antigen auf der Zielzelle gerichtet und die zweite ist gegen CD3 auf T-Zellen gerichtet, was zu einer direkten Rekrutierung der T-Zelle an die Zielzelle führt. Geeignete einzelne Tumorantigene, die nur auf Tumorzellen zu finden sind und nicht auf gesundem Gewebe sind jedoch begrenzt, was diesen Ansatz auf sehr wenige Tumortypen einschränkt. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben wir bispezifische T-Zell-rekrutierende Antikörper-Derivate entwickelt, sogenannte Hemibodies. Hemibodies sind „single chain“ Polypeptidketten. Jeder Hemibody besitzt zwei spezifische Antigen bindende Domänen. Eine Domäne besteht aus einem „single chain variable Fragment“ (scFv) und ist gegen ein Zielantigen gerichtet und zweite Effektor-Domäne besteht entweder aus der variablen Domäne der schweren Kette (VH), oder die variable Domäne der leichten Kette (VL) eines Anti-CD3-Antikörpers. Nur wenn zwei komplementierende Hemibodies ihr jeweiliges Antigen auf der Oberfläche derselben Zielzelle binden, können die beiden anti-CD3-VH- und anti-CD3-VL-Domänen komplementieren und erst jetzt die funktionelle anti-CD3-Bindungsdomäne ausbilden um T-Zellen zu binden und zu aktivieren. Zur Therapie von bösartigen Zellen hämatopoetischen Ursprungs haben wir Hemibodies gegen CD45 und HLA-A2 hergestellt. Sie wurden in CHO-Zellen exprimiert und dann über Strep-Tag gereinigt. Um mehr über den Hemibody-Mechanismus der T-Zell-vermittelten Abtötung von Zielzellen zu erfahren, haben wir die biochemischen und funktionellen Eigenschaften von Hemibodies genauer analysiert. Unser Arbeit zeigt, dass VLαCD3-scFvαHLA-A2- und VHαCD3-scFvαCD45-Hemibodies eine atypische immunologische Synapse ausbilden. Diese ist gekennzeichnet durch die gemeinsame Verdrängung von HLA-A2 und CD45 aus dem „interface“ zwischen Zielzelle und T-Zelle. Dennoch können Hemibodies selbst bei Konzentrationen im nanomolaren Bereich in vitro eine Caspase-Aktivität in den Zielzellen induzieren. Betrachtet man ZAP70, dass bei T- Zell Aktivierung normalerweise vom Zytoplasma zum CD3-Rezeptor in der Mitte des Zell-Zell „interface“ rekrutiert wird, zeigt sich bei der Hemibody vermittelten T-Zell Aktivierung aktiviertes ZAP70 außerhalb des Zell-Zell „interface“. Im Gegensatz zu Hemibodies zeigen mit BiTEs aktivierte T-Zellen erwartungsgemäß eine zentrale Rekrutierung von ZAP70 im Zell-Zell „interface“. Wir untersuchten auch die Wechselwirkung von Hemibodies mit löslichem rekombinantem CD3-Epsilon / Gamma-Protein in Abwesenheit von Zielzellen. Eine Bindung konnte nur bei sehr hoher Konzentration außerhalb des therapeutischen Fensters gemessen werden. Diese Arbeit untersucht im Detail den T-Zell vermittelten Mechanismus der Hemibody Technologie. Die Ergebnisse ermöglichen uns den Wirkmechanismus der Hemibodies besser zu verstehen. Dies ist wichtig für die sichere Weiterentwicklung dieser neuen zielgerichteten T-Zell vermittelten Immuntherapie.