According to the “canonical” paradigm of GPCR signaling, agonist-bound GPCRs only signal to the downstream adenylyl cyclase enzyme when they are seated at the plasma membrane. Upon prolonged binding of an agonist, receptor internalization usually takes place, leading to the termination of this downstream signaling pathway and activation of alternative ones. However, a set of recent studies have shown that at least some GPCRs (e.g. thyroid stimulating hormone receptor) continue signaling to adenylyl cyclase after internalization. In this study, I aimed to investigate canonical signaling by internalized μ opioid receptors (MORs), which are Gi-coupled receptors, using a fluorescence resonance energy transfer (FRET) sensor for cyclic AMP (cAMP) known as Epac1-camps. My results show that the cyclic AMP inhibition signal induced by the binding of DAMGO, a MOR agonist, persists after agonist washout. We hypothesized that this persistent signal might come from internalized DAMGO-bound receptors located in the endosomal compartment. To test this hypothesis, I used dynasore and Dyngo 4a, two dynamin inhibitors that are known to prevent clathrin-mediated endocytosis. Interestingly, dynasore but not Dyngo 4a pretreatment largely blunted the response to MOR activation as well as to adenylyl cyclase activation with Forskolin (FSK). In addition, DAMGO-induced cAMP signal remained persistent even in the presence of 30 M Dyngo 4a. These results might point to a complex interplay between clathrin-mediated internalization and MOR signaling. Further experiments are required to elucidate the mechanisms underlying the persistent MOR signaling and to fully clarify whether MORs are capable of Gi signaling in the endosomal compartment. / Nach dem „kanonischem“ Paradigma der Signaltransduktion akktivieren agonistbindende GPCR's nur dann die Adenylylcyclase, wenn sie sich in der Zellmembran befinden. Ist der Agonist länger gebunden führt dies meist zur Internalisierung des Rezeptors. Dies führt dazu, dass die Signaltransduktion beendet wird und andere Signalwege aktiviert werden. Jedoch haben einige neuere Studien gezeigt, dass zumindest einige GPCR's (z.B. der Thyreotropinrezeptor) auch nach Internalisierung weiter die Adenylylcyclase aktivieren. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es kanonische Signaltransduktion von internalisierten μ Opioidrezeptoren (MORs) zu untersuchen, welche zu den Gi gekoppelten Rezeptoren gehören. Dazu wird ein Förster Resonanz Energie Transfer (FRET) Sensor für Cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) benutzt, bekannt als Epac1-camps. Meine Resultate zeigen, dass die Inhibierung des cAMP Signal durch das Binden von DAMGO, einem MOR Agonisten, bestehen bleibt auch nachdem der Agonist ausgewaschen wurde. Unsere Hypothese ist, dass internalisierte Rezeptoren im endosomalen Kompartment, die DAMGO gebunden haben, die Ursache für das fortbestehende Signal verantwortlich sind. Um dies zu überprüfen habe ich Dynasore und Dyngo 4a benutzt. Beides sind Dynamin Inhibitoren von welchen man weiß, dass sie die Clathrin gesteuerte Endocytose unterbinden. Interessanterweise hat nur die Vorbehandlung mit Dynasore die Reaktion auf die MOR und die Adenylylcyclase Aktivierung mit Forskolin (FSK) verringert, jedoch nicht Dyngo 4a. Desweiteren hielt das durch DAMGO induzierte cAMP Signal selbst nach Zugabe von 30 M Dyngo 4a an. Diese Ergebnisse können ein Hinweis für einen komplexen Zusammenhang zwischen Clathrin gesteuerter Internalisierung und MOR Signaltransduktion sein. Jedoch braucht es weitere Experimente um den zugrundeliegenden Mechanismus der anhaltenden MOR Signaltransduktion zu beleuchten und um vollständig zu erklären ob MORs in der Lage für Gi Signaltransduktion im endosomalen Kompartment sind. (Übersetzt von Kerstin Seier)

Die Tumorsuppressorproteine p33ING1b und p29ING4 (Inhibitor of Growth, ING) verhindern normalerweise die Entwicklung bestimmter Tumorarten, indem sie einen Transkriptionskomplex mit dem Tumorsuppressorgen p53 bilden. Die ING1b und ING4 Gene sind nach der Demonstration hoher Expressionswerte in verschiedenen Tumoren in den Mittelpunkt der Tumorforschung gerückt. Zudem hat die Immunogenität des p33ING1b Proteins in Patientinnen mit einem Mammakarzinom ihre potentielle Bedeutung für die Diagnose und eine auf dem Prinzip der Vakzinierung basierende Behandlung demonstriert. Häufig wird das Nierenzellkarzinom von einer großen Anzahl mononukleärer Zellen einschließlich T-Lymphozyten, NK-Zellen und Makrophagen infiltriert. Dabei wurde für frühe Tumorstadien in der vorliegenden Arbeit eine erhöhte Serumkonzentration an IL-2 und dessen Rezeptor (IL-2R) gezeigt, die auf eine erhöhte T-Zellproliferation und Aktivierung der Immunantwort im Tumorpatienten hindeutet. Eine verstärkte Expression von Zytokinen wie IFN-γ und TNF-α neben IL-2 im Serum weist, wie nachgewiesen, auf eine verstärkte Aktivierung von Th1 und zytotoxischen Tc1 Zellen im Tumorpatienten hin. Im Tumorgewebe selber akkumulieren T-Zellen in den Anfangsstadien des Nierenzellkarzinoms. Dies lässt eine lokale Tumorimmunantwort vermuten. Im peripheren Blut von Patienten später Stadien weisen die Ergebnisse dieser Arbeit jedoch auf eine stadienabhängige Abschwächung der gegen den Tumor gerichteten Th1-Antwort und eine Stärkung der Th2/Treg-Antwort mit supprimierender Auswirkung auf die Tumor-Immunabwehr hin. In fortgeschrittenen Tumorstadien bedeutet dies eine zunehmend inaktive Tumorimmunantwort. Intratumoral überwogen sowohl IL-10 positive CD4+ und CD8+ als auch IL-2 positive CD8+ T-Zellen, von denen immunsuppressive Effekte auf die Tumorimmunantwort vermutet werden. Möglicherweise entsteht durch eine Verschiebung im Zellverhältnis von zytotoxischen und T-Helferzellen gegenüber supprimierenden und regulatorischen Zellen ein Selektionsvorteil für das weitere Tumorwachstum. So wäre eine zytotoxische Immunantwort gegen den Tumor zunehmend ineffektiv. Immunologische Therapieansätze stellen wegen der Möglichkeit eines selektiven Angriffs auf Tumorzellen ein attraktives Konzept dar. Diese Arbeit zeigt, dass etwa 40% der untersuchten Patienten früher wie auch später Stadien eine signifikante Überexpression des ING1b Gens und über 30% eine signifikante Überexpression des ING4 Gens aufwiesen. Eine zytotoxische CD8+ sowie CD4+ T-Zell-Tumorimmunantwort gegen diese im Tumor selektiv überexprimierten Proteine könnte sich somit als ein attraktives Therapieziel erweisen. In der in begrenztem Umfang, da nicht thematischer Schwerpunkt der Arbeit, durchgeführten HLA-Analyse zeigte sich für die untersuchten HLA-A, -B und -C sowie HLA-DRA und -DRB Antigene im untersuchten Patientenkollektiv eine heterogene Genexpression. Der für verschiedenen Tumoren beschriebene Verlust von HLA Klasse I Molekülen auf der Tumorzelloberfläche stellt offensichtlich keine Allgemeingültigkeit dar. Beim Nierenzellkarzinom ist diese Beobachtung nach der eigenen Datenlage nicht unbedingt mit einem oft diskutierten Escape-Mechanismus gleichzusetzen. Dagegen zeigten sämtliche Patienten früher Stadien und 75% fortgeschrittener Tumoren eine signifikant herabregulierte HLA-G Expression auf. Die Bedeutung des HLA-G Moleküls für das Nierenzellkarzinom bleibt unklar, für andere Tumorentitäten wird es derzeit kontrovers diskutiert. Dessen Überexpression könnte sich als ein Selektionsvorteil für den Tumor herausstellen. Die Tatsache, dass sowohl im Tumor als auch im peripheren Blut p29ING4-positive T-Zellen nachweisbar sind, und dass diese Zellen in fortgeschrittenen Tumorstadien abnehmen, wurde in dieser Arbeit eindrücklich gezeigt. Dabei war der Anteil p29ING4-positiver CD4+ T-Zellen in frühen Tumoren größer als der spezifischer CD8+ T-Zellen. Dabei könnte es sich vermutlich um CD4+ T-Helferzellen und CD8+ zytotoxische T-Zellen handeln. Die Sequenz p29ING4 aa 149-158 bewirkte eine IL-2-Antwort and war für eine verstärkte Expression des IFN-γ in PBLs von Patienten früher Stadien bedeutsam. Sie löste dazu nur eine geringe IL-10-Antwort aus. Dies deutet auf eine stimulierende Rolle dieses p29ING4 Epitops für die Induktion einer zytotoxischen Tc1- aber auch einer Th1-vermittelten T-Zellantwort in den PBLs der Tumorpatienten hin. Schlussfolgernd wäre die therapeutische Effizienz des identifizierten p29ING4 Epitops für eine Immuntherapie klinisch zu überprüfen. Möglicherweise stellt eine auf p29ING4-basierte Immuntherapie in Kombination mit CTLs, die durch eine begleitende Zytokintherapie (z.B. INF-α und IL-2) aktiviert werden, bei Patienten mit p29ING4-überexprimierenden Nierentumoren ein wirksames immunologisches Therapiekonzept für die Zukunft dar. / The tumor suppressor proteins p33ING1b and p29ING4 (Inhibitor of Growth, ING) were originally identified as negative cell growth regulators due to the formation of a transcriptional complex with the tumor suppressor p53. ING1b and ING4 genes has been of interest in cancer research after the demonstration of high expression levels in various tumors. In addition, p33ING1b immunogenicity in patients with breast cancer has raised the potential value of p33ING1b in diagnosis and vaccine based treatment. Recent data show that the RCC is often infiltrated by a variable amount of cellular infiltrates composed of T cells, NK cells and macrophages. An increased expression of cytokines like IL-2 and its receptor IL-2R in the serum of the patients as demonstrated in this thesis points to an enhanced level of immunological activation during early stages of the tumor development. A significant increase in the expression of further cytokines like IFN-γ and TNF-α together with IL-2 may support this hypothesis of early activation of T cells like T helper 1 (Th1) and cytotoxic Tc1 cells at early stages of the tumor development. As demonstrated in this thesis an increasing amount of tumor infiltrating T cells in early stages show significant in vitro reactivity against tumor antigen indicating a peripheral tumor immune response. However, conclusive data also show that in advanced tumor stages the type-1 response, indicative for tumor destruction, decreased whereas the type-2 response, indicative for regulatory or suppressive immune responses, increased. This suggests an increasingly ineffective tumor immune response during later stages of the disease. Indeed, the data presented in this thesis show a further diminished tumor immune response in RCC patients in advanced stages. CD4+ and CD8+ tumor-infiltrating cells, double positive for IL-10, as well as IL-2 expressing CD8+ T cells increased in later stages. This may be indicative for a shift from infiltrating cytotoxic and T helper cells in early stages to an increasing population of suppressive CD8+ T cells infiltrating the tumor in later stages. The change in the proportion of cytotoxic and helper T cells towards suppressive and/or regulatory T cells in the tumor may be responsible for the polarization from a Th1- to a Th2 type response. This may contribute to tumor growth and thus resemble an increasingly ineffective cytotoxic tumor immune response. The data presented in this thesis demonstrate for the first time heterogenic expression of the tumor suppressor genes ING1b and ING4 in patients at different stages of the RCC. Approximately 40% of renal cancers showed significant overexpression of the ING1b gene and more than 30% overexpressed the ING4 gene. Thus, a CD4+ and CD8+ T cell mediated tumor immune response against defined proteins may be an attractive therapeutical strategy. To characterize a common pattern of HLA class I and II gene expression for epidemiological reason it requires a significant population of tumor patients to compare with healthy subjects. The limited patient study group, which was investigated, demonstrated heterogenic HLA-A, -B, -C, -DRA and -DRB gene expression. The loss of HLA class I molecule expression on the surface of the tumor cell does not exhibit a common abnormality for the RCC and does not display an obligatory tumor escape mechanism. In addition, all patients in early stages and 75% of patients in advanced stages showed significant overexpression of the HLA-G gene. The specific role of the HLA-G molecule in the RCC as controversially also discussed for other malignancies, seems to be unknown and could turn out to be beneficial for tumor growth. This thesis demonstrates for the first time significant numbers of p29ING1b specific T cells in tumor-infiltrating lymphocytes and in PBLs. However, TILs show a decreased ratio of p29ING1b specific T cells in later stages of the RCC. Interestingly, in early stages there were more p29ING4 positive CD4+ lymphocytes than such CD8+ T cells within the tumor tissue. Moreover the p29ING4 sequence aa 149-158 was shown to induce a significant IFN-γ response but only a low IL-10 response in PBLs from RCC patients in early stages but not from healthy controls. The sequence p29ING4 aa 149-158 exclusively induced a significant IL-2 response. These data indicate a stimulating role of the sequence p29ING4 aa 149-158 for inducing a cytotoxic Tc1 and Th1 T cell mediated immune response in PBLs from RCC patients. In conclusion, the therapeutic efficiency of the epitope p29ING4 aa 149-158 should be further examined in in vivo studies. The results of this study may provide the basis for a combined immunotherapeutical strategy in particular with actually clinical relevant protocols with lymphocyte - (CTL) activating cytokines such as IFN-α and IL-2 in patients with upregulated ING4 expression within their tumor.

Auf dem Forschungsgebiet der elektrorheologischen Fluide wurden verstärkt Modelle auf der Basis statischer Systeme entwickelt. In diesen Modellen wird angenommen, dass die Par-tikel der ER-Suspension Ketten von einer Elektrode zur anderen ausbilden. Über die elektro-statische Wechselwirkung der Partikel untereinander in Verbindung mit dem nicht-ohmschen Verhalten des Trägeröls wurde dabei auf die Schubspannung und die Stromdich-te der ERF geschlossen. Diese Vorhersagen waren aufgrund der Vernachlässigung der Dy-namik nur bedingt aussagefähig. In experimentellen Untersuchungen der Schubspannung und Stromdichte wurden die Abhängigkeiten von Scherrate, Feldstärke und Spaltgeometrie näher betrachtet. Für ein besseres Verständnis der ER-Eigenschaften wurden zudem die-lektrische Messungen (Impedanzmessungen) durchgeführt. Als Ergebnis dieser Messungen wurde eine dielektrische Aktivität der ERF im Frequenzbereich von 102 Hz bis 105 Hz für einen hohen ER-Effekt ermittelt. Der Realteil der Permittivität führt in diesem Frequenz-fenster einen großen Sprung durch – dies ist äquivalent mit einem großen Imaginärteil der Permittivität (dielektrischer Verlust ) oder einem großen tan . In dieser Arbeit wurde für die Untersuchungen eine ERF mit Silikonöl als Trägermedium und salzdotiertes Polyurethan als Partikelmaterial verwendet. Im ersten Teil der Arbeit steht die Identifikation der auftretenden Relaxationen – ermittelt durch die dielektrische Spektro-skopie – im Vordergrund. Dabei konnte eine Relaxation aufgrund der Salzdotierung, eine durch Kohlendioxid und Wasser und eine aufgrund des Polyurethans der Partikel nachge-wiesen werden. Da die Dotiersalzrelaxation den größten Beitrag des ER-Effektes verursacht, wurde diese im Rahmen der vorliegenden Arbeit näher betrachtet. Sowohl Lage als auch Stärke der Relaxa-tion lassen sich durch die Partikelkonzentration, den Salzgehalt, die Salzart und durch eine Modifikation der Polymermatrix variieren. In Übereinstimmung mit Messungen am Rheo-meter lassen sich daraus die gewünschten Eigenschaften, im Besonderen das Temperatur-verhalten und die Stärke der ERF, einstellen. Im Weiteren wurde aus den gewonnenen Ergebnissen der dielektrischen Spektroskopie in Verbindung mit rheologischen Messungen ein Schema entwickelt, mit dem es möglich ist, aus der Lage und der Stärke der Salzrelaxation im Vergleich mit bekannten ERF auf die Schubspannung und die Stromdichte zu schließen. Somit ist zum ersten Mal eine Qualitäts-kontrolle aufgrund der Basiseigenschaften der ERF möglich. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden die Unterschiede der Messungen in Scher- bzw. Fließ-modus und deren Ursachen beleuchtet. Hierbei konnte aufgezeigt werden, dass die Rotation der Partikel aufgrund der Scherbelastung in Kombination mit dem Strömungsprofil für die unterschiedlichen Messergebnisse verantwortlich ist. Die Unterschiede sind so groß, dass sich kein konstanter Faktor ermitteln lässt, um beide Messmodi miteinander zu vergleichen. Somit muss eine ERF immer in dem Modus charakterisiert werden, der der späteren Belas-tungsart entspricht, um so die korrekten Wert für die Schubspannung und die Stromdichte ermitteln zu können. / In the research of modelling electrorheological fludis, focus was on developing models based on static systems. In these models the particles of the ERF-Suspension build chains from one electrode to another due to the electric field. The particles interact with each other, because of electrostatic forces and in combination with the non-ohmic behavior of the oil it is possible to calculate shear stress and current density. These forecasts did not have enough accuracy be-cause of the neglect of fluid dynamics. In experiments dependence of shear stress and cur-rent density of shear rate, electrical fieldstrength and gap geometry were researched. For a better understanding of the ER-effect, some dielectric measurements have been done. As a result of these measurements a high shear stress in a frequency range of 102 Hz to 105 Hz was shown. Also the real part of the permittivity has a big step in this frequency range for a high shear stress – equivalent with a big imaginary part of the permittivity (dielectric loss) or a big . In this theses, a silicone oil based ERF with salt-doped PUR-particles was used. In the first chapter the identification of the observed relaxations of the dielectric measurement was done. Thereby the relaxations by doping salt, of carbon dioxide and water and of the PUR of the particles could be observed. The ER-effect ist dominated by the relaxation caused by the doping salt. Therefore this re-laxation was researched in a wide range. Both, position and strength of this relaxation have been varied by particle concentration, range of salt, kind of salt and modification of the polymer matrix. In comparisen with rheological measurements it is possible to identify spe-cial characteristics like temperature behavior and the strength of shear stress. Furthermore, with a combination of rheological and dielectric measurements a schematic was developed to predict the shear stress and current density on their dependency of posi-tion and strength of the salt relaxation. Therefore it is possible for the first time to make a quality control of an ERF without a rheological measurement. In the last chapter of the theses the difference between two kinds of measurement modes – shear and flow mode – was researched. It was shown, that differences are caused by the rota-tion of particles because of the shear stress in combination with the flow profile. The differ-ences are so big, that it is not possible to identify a constant factor to correlate the results. An ERF has to be measured in the same measurement mode like the ERF which is used later on in order to get the correct values of shear stress and current density

A20 reduziert Apoptose in Endothelzellen verursacht durch oxidiertes low density lipoprotein / A20 reduces apoptpsis in endothelial cells caused by oxLDL

Die MRT des Herzens wird aufgrund hoher Reproduzierbarkeit und geringer Variabilität als Referenzstandard für die Bestimmung der kardialen Funktion betrachtet. Auch in der präklinischen Forschung bietet die MRT eine ausgezeichnete Charakterisierung der kardialen Funktion und ermöglicht eine exzellente Analyse modellierter Krankheitsbilder. In beiden Fällen besteht jedoch weiterhin Optimierungsbedarf. Die klinische Herz-MRT stellt ein aufwendiges Verfahren mit relativ langer Messzeit dar und ist dadurch mit hohen Untersuchungskosten verbunden. In der präklinischen Kleintierbildgebung müssen zum Erreichen der notwendigen höheren Orts- und Zeitauflösung ebenfalls lange Aufnahmezeiten in Kauf genommen werden. Um die kardiale MRT dort routinemäßig in großen Studienkollektiven anwenden zu können, ist eine schnellere Bildgebung essentiell. Neben einer Verbesserung der Tomographen-Hardware und der Optimierung von Bildgebungssequenzen standen im letzten Jahrzehnt vermehrt informationstheoretische Ansätze zur Beschleunigung der MR-Datenakquisition im Fokus der Entwicklung. Während zu Beginn des Jahrtausends die Parallele Bildgebung (PI) einen Forschungsschwerpunkt repräsentierte, spielte sich in den letzten fünf Jahren vermehrt die von Donoho und Candès eingeführte Compressed Sensing (CS) Theorie in den Vordergrund. Diese ermöglicht eine Signalrekonstruktion aus unvollständig gemessenen Koeffizienten einer linearen Messung (z.B. Fouriermessung) unter Ausnutzung der Sparsität des Signals in einer beliebigen Transformationsbasis. Da sich die MRT hervorragend für den Einsatz von CS eignet, wurde die Technik in der Forschung bereits vielfach angewendet. Die zur Rekonstruktion unterabgetasteter Aufnahmen nötigen CS-Algorithmen haben jedoch eine signifikante Veränderung des Bildgebungsprozesses der MRT zur Folge. Konnte dieser zuvor in guter Näherung als linear und stationär betrachtet werden, so repräsentiert die CS-Rekonstruktion eine nichtlineare und nichtstationäre Transformation. Objektinformation wird nicht mehr ortsunabhängig und proportional zur Intensität in die Abbildung transportiert. Das Bild ist viel mehr das Ergebnis eines Optimierungsprozesses, der sowohl die Konsistenz gegenüber der unterabgetasteten Messung als auch die Sparsität des Signals maximiert. Der erste Teil dieser Dissertation beschreibt eine Methode, die eine objektive Einschätzung der Bildqualität CS-rekonstruierter MR-Bilder ermöglicht. Die CS-Beschleunigung verspricht eine Verkürzung der Messzeit ohne Verlust an Bildqualität, wobei letztere bisher größtenteils qualitativ bzw. quantitativ nur unzureichend beurteilt wurde. Konnte der Bildgebungsprozess der klassischen MRT (linear und stationär) durch die Bestimmung einer Punktspreizfunktion (PSF) robust und effektiv validiert und optimiert werden, erlauben die CS-Algorithmen aufgrund ihres nichtlinearen und nichtstationären Verhaltens ohne Weiteres keine äquivalente Analyse. Um dennoch eine entsprechende Evaluierung des CS-Bildgebungsprozesses zu ermöglichen, wurde die Anwendung einer lokalen Punktspreizfunktion (LPSF) für den in der Folge verwendeten Iterative Soft Thresholding Algorithmus untersucht. Die LPSF berücksichtigt die Ortsabhängigkeit der CS-Rekonstruktion und muss daher für jeden Ort (Pixel) eines Bildes bestimmt werden. Darüber hinaus wurde die LPSF im linearen Bereich der CS-Transformation ermittelt. Dazu wurde das zu bewertende Bild nach Anwenden einer kleinen lokalen Störung rekonstruiert. Die Breite des Hauptmaximums der LPSF wurde schließlich verwendet, um ortsaufgelöste Auflösungsstudien durchzuführen. Es wurde sowohl der Einfluss typischer Unterabtastschemata für CS als auch der Einsatz diskreter Gradienten zur Sparsifizierung eines Phantombildes untersucht. Anschließend wurde die Prozedur zur Bestimmung der räumlichen und zeitlichen Auflösung in der Herzbildgebung getestet. In allen Beispielen ermöglichte das vorgeschlagene Verfahren eine solide und objektive Analyse der Bildauflösung CS-rekonstruierter Aufnahmen. Wurde zuvor meist ausschließlich auf Vergleiche mit einer vollständig abgetasteten Referenz zur Qualitätsbeurteilung zurückgegriffen, so stellt die vorgestellte Auflösungsbestimmung einen Schritt in Richtung einer standardisierten Bildanalyse bei der Verwendung der Beschleunigung mittels CS dar. Die Analyse der Abtastmuster zeigte, dass auch bei der Anwendung von CS die Berücksichtigung der nominell höchsten Frequenzen k_max unerlässlich ist. Frühere Publikationen schlagen Abtastfolgen mit einer teils starken Gewichtung der Messpunkte zum k-Raum-Zentrum hin vor. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit relativieren ein derartiges Vorgehen, da zumindest bei den durchgeführten Untersuchungen ein Auflösungsverlust bei analoger Vorgehensweise zu verzeichnen war. Ebenso zeigten sich dynamische Aufnahmen, die unter Verwendung des x-f-Raums als sparse Basis rekonstruiert wurden, durchaus anfällig für zeitliches Blurring. Dieses resultiert aus der Unterdrückung hoher zeitlicher Frequenzen und konnte durch die ortsaufgelösten Auflösungskarten sichtbar gemacht werden. Neben der Auflösung ist für eine umfassende Analyse der Bildqualität auch die Untersuchung potentieller Aliasing-Artefakte sowie des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) notwendig. Während Aliasing mit Hilfe der Einträge der LPSF außerhalb des Hauptmaximums untersucht werden kann, wurde in Kap. 5 eine Modifikation der Multi-Replika-Methode von Robson et al. zur Rauschanalyse bei Verwendung nichtlinearer Algorithmen vorgestellt. Unter Einbeziehung aller genannten Qualitätsparameter ist eine robuste Bewertung der Bildqualität auch bei einer Verwendung von CS möglich. Die differenzierte Evaluierung ebnet den Weg hin zu einem objektiven Vergleich neuer Entwicklungen mit bisherigen Standard-Techniken und kann dadurch den Einzug von CS in die klinische Anwendung vorantreiben. Nach den theoretischen Betrachtungen der Bildqualität behandelt die Dissertation die erstmalige Anwendung von CS zur Beschleunigung der funktionellen Herzdiagnostik in der präklinischen MR-Kleintierbildgebung. Diese Studien wurden in Zusammenarbeit mit der British Heart Foundation Experimental Magnetic Resonance Unit (BMRU) der University of Oxford durchgeführt. Die Algorithmen für eine Beschleunigung mittels der CS-Theorie wurden anhand der dort am 9,4T Tomographen gemessenen (unterabgetasteten) Datensätze entwickelt und optimiert. Zunächst wurde eine Beschleunigung ausschließlich mittels CS untersucht. Dazu wurde die segmentierte, EKG- und Atemgetriggerte kartesische Cine-Aufnahme in Phasenkodierrichtung unterabgetastet und mittels CS rekonstruiert. Die sparse Darstellung wurde durch Ermitteln zeitlicher Differenzbilder für jede Herzphase erhalten. Durch Variation der Abtastmuster in der zeitlichen Dimension konnte ein vollständig abgetastetes zeitliches Mittelbild bestimmt werden, das anschließend von jedem einzelnen Herzphasenbild subtrahiert wurde. In einer Validierungsphase wurden an der Maus vollständig aufgenommene Cine-Akquisitionen retrospektiv unterabgetastet, um die maximal mögliche Beschleunigung mittels CS zu ermitteln. Es wurden u.a. funktionelle Herz-Parameter für jede Gruppe des jeweiligen Beschleunigungsfaktors bestimmt und mittels einer statistischen Analyse verglichen. Die Gesamtheit aller Ergebnisse zeigte die Möglichkeit einer dreifachen Beschleunigung ohne eine Degradierung der Genauigkeit der Methode auf. Die ermittelte Maximalbeschleunigung wurde in einer unterabgetastet gemessenen Bilderserie mit anschließender CS-Rekonstruktion validiert. Die Abtastschemata wurden dazu mit Hilfe der Transformations-Punktspreizfunktion weiter optimiert. In einer Erweiterung der Studie wurde zum Zweck einer noch höheren Beschleunigung die CS-Technik mit der PI kombiniert. Erneut fand eine Unterabtastung der Phasenkodierrichtung einer kartesischen Trajektorie statt. Die Messungen erfolgten mit einer 8-Kanal-Mäusespule an einem 9,4T Tomographen. Um das Potential beider Beschleunigungstechniken auszunutzen, wurden die Methoden CS und PI in serieller Weise implementiert. Für die PI-Beschleunigung wurde der vollständig abgetastete k-Raum zunächst gleichmäßig unterabgetastet. Auf dem resultierenden Untergitter wurde zusätzlich eine Unterabtastung nach Pseudo-Zufallszahlen durchgeführt, um eine Beschleunigung mittels CS zu ermöglichen. Die entwickelte Rekonstruktion erfolgte ebenfalls seriell. Zunächst wurde mittels CS das äquidistante Untergitter rekonstruiert, um anschließend mittels GRAPPA die noch fehlenden Daten zu berechnen. Um eine zusätzliche Messung zur Kalibrierung der GRAPPA-Faktoren zu umgehen, wurde das äquidistant unterabgetastete Untergitter von Herzphase zu Herzphase um je einen Phasenkodierschritt weitergeschoben. Dieses Vorgehen erlaubt die Ermittlung eines vollständig abgetasteten k-Raums mit einer geringeren zeitlichen Auflösung, der die notwendige Bestimmung der Wichtungsfaktoren ermöglicht. Folgende Kombinationen von Beschleunigungsfaktoren wurden mittels retrospektiver Unterabtastung eines vollständig aufgenommenen Datensatzes untersucht: R_CS x R_PI = 2 x 2, 2 x 3, 3 x 2 und 3 x 3. Die Analyse des Bildrauschens, des systematischen Fehlers und der Auflösung führte zu dem Schluss, dass eine sechsfache Beschleunigung mit Hilfe der hybriden Rekonstruktionstechnik möglich ist. Während mit steigender CS-Beschleunigung der systematische Fehler leicht anstieg, führte ein höherer PI-Beschleunigungsfaktor zu einer leichten Verstärkung des statistischen Fehlers. Der statistische Fehler zeigte jedoch ebenfalls eine Verringerung bei steigender Beschleunigung mittels CS. Die Fehler waren allerdings stets auf einem Niveau, das durchaus auch Beschleunigungen bis R_CS x R_PI =3 x 3 zulässt. Die LPSF-Analyse zeigte einen Verlust der räumlichen Auflösung von ca. 50 % bei R=6 sowie einen mittleren Verlust von 64 % bei R=9. Offensichtlich ging die ebenfalls beobachtete Minimierung des Bildrauschens durch den CS-Algorithmus im Falle der relativ stark verrauschten Kleintieraufnahmen zu Lasten der Bildauflösung. Die mit zunehmender Beschleunigung stärker geblurrten Grenzen zwischen Blutpool und Myokardgewebe erschweren die Segmentierung und stellen eine mögliche Fehlerquelle dar. Unter Beachtung aller Ergebnisse ist eine sechsfache Beschleunigung (R_CS x R_PI = 2 x 3, 3 x 2) vertretbar. Die Hinzunahme der PI ermöglicht somit im Vergleich zur alleinigen Verwendung von CS eine weitere Beschleunigung um einen Faktor von zwei. Zusammenfassend ermöglicht der Einsatz von CS in der präklinischen funktionellen Herzbildgebung am Kleintier eine deutliche Reduktion der Messzeit. Bereits ohne Vorhandensein von Mehrkanalspulen kann die notwendige Datenmenge ohne signifikante Beeinflussung der Messergebnisse auf ein Drittel reduziert werden. Ist der Einsatz von Spulenarrays möglich, kann die mit PI mögliche dreifache Beschleunigung um einen weiteren Faktor zwei mittels CS auf R=6 erweitert werden. Dementsprechend kann CS einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, dass das Potential Herz-MRT am Kleintier in großen Studienkollektiven effektiver abgerufen werden kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde eine Technik für die funktionelle klinische MR-Herzbildgebung entwickelt. Hier wurde eine Beschleunigung mittels CS verwendet, um die Aufnahme des gesamten Herzens innerhalb eines Atemstillstandes des Patienten zu ermöglichen. Bei der derzeitigen Standardmethode werden üblicherweise 10-15 2D-Schichten des Herzens akquiriert, wobei jede einzelne Aufnahme einen Atemstillstand des Patienten erfordert. Für die notwendige Beschleunigung wurde eine unterabgetastete 3D-Trajektorie verwendet. Durch Phasenkodierung einer Richtung sowie radiale Projektionen in den beiden anderen Dimensionen konnte eine effiziente Aufnahme unterhalb des Nyquist-Kriteriums erreicht werden. Die Sparsifizierung erfolgte, wie bereits in der beschriebenen präklinischen Anwendung, durch die Subtraktion eines zeitlichen Mittelbildes. In einer Simulation anhand eines retrospektiv unterabgetasteten Datensatzes konnte die theoretische Funktionalität der Rekonstruktionstechnik bei einer Beschleunigung bezüglich der Nyquist-Abtastung von R ~ 10 validiert werden. Die Unterschiede zum vollständig abgetasteten Datensatz waren vernachlässigbar klein, so dass die vorgeschlagene Abtastfolge am Tomographen implementiert wurde. Mit dieser Sequenz wurde anschließend eine funktionelle Bilderserie an einem gesunden Probanden mit vollständiger Herzabdeckung innerhalb eines Atemstopps aufgenommen. Fehlende Daten wurden analog zur Simulation mit Hilfe des vorgeschlagenen Algorithmus rekonstruiert. Im Vergleich zur Simulation ergaben sich aufgrund des Schichtprofils der 3D-Slab-Anregung zusätzliche Aliasing-Artefakte in den äußeren Partitionen. Die für radiale Aufnahmen typischen Streifenartefakte waren im rekonstruierten Bild, wenn auch mit sehr geringer Amplitude, noch erkennbar. Davon abgesehen wurde die Dynamik jedoch über das gesamte Herz hinweg gut dargestellt. Der hohe Kontrast zwischen Myokard und Blutpool bescheinigt den Bildern eine hervorragende Eignung für die Bestimmung funktioneller Herzparameter mittels einer Segmentierung. Zusammengefasst erlaubt die entwickelte Methode aufgrund der drastischen Reduktion der notwendigen Atemstopps des Patienten einen deutlich erhöhten Patientenkomfort sowie einen schnelleren Durchsatz aufgrund der verkürzten Messzeit. / Because of its high reproducibility and its low variability, magnetic resonance imaging (MRI) of the heart is considered the gold-standard for assessing the cardiac function. In preclinical research, magnetic resonance imaging equally provides an accurate characterization of the cardiac function and enables an excellent analysis of modeled diseases. However, there is still a need for improvement in both applications. Clinical cardiac MRI represents a sophisticated procedure featuring long scan times. This renders the examination comparatively expensive. In preclinical imaging of small animals, long scan times have to be accepted to obtain the required high spatial and temporal resolution. Fast imaging is thus essential for an effective application of cardiac MRI in large collectives. Besides the improvement of the scanner hardware and the optimization of imaging sequences, research in the last decade concentrated on procedures to accelerate MR-data acquisition by exploiting information theory. While numerous publications were associated with parallel imaging (PI) at the beginning of this millennium, the compressed sensing theory (CS) recently gained more and more interest. The latter technique enables the reconstruction of signals from undersampled linear measurements (e.g. the Fourier basis) by exploiting the sparsity of the signal in any known transform domain. As MRI is perfectly qualified for an application of CS, a lot of publications already report on dedicated research. However, the algorithms needed for the reconstruction of undersampled data significantly alter the imaging process of MRI. Classical MRI could be assumed to be linear and stationary in a sufficiently good approximation. The introduction of CS into MRI means a change towards a non-linear and non-stationary transformation. Object information is no longer transferred into an image independently from its location and proportional to its intensity. The image is rather the result of an optimization process maximizing both the fidelity to measured data as well as the sparsity of the signal. The first chapter of this thesis describes a method to objectively evaluate the image quality of MR images reconstructed by CS algorithms. The acceleration with CS promises a reduction of scan time while preserving the image quality. The latter, however, has only been assessed qualitatively or in an insufficient quantitative manner. While classical (linear and stationary) MRI could be validated robustly and effectively by determining a point spread function (PSF), CS algorithms prohibit a corresponding analysis in an analogous manner due to their non-linear and non-stationary behavior. Therefore, the application of a local point spread function (LPSF) was investigated for the iterative soft thresholding (IST) algorithm used in this thesis, to enable a comparative evaluation for imaging systems including CS. The LPSF considers the local dependency of the CS algorithm and thus has to be determined in every location (pixel) of an image. In addition, the LPSF was defined in the linear part of the CS transformation. Small local perturbation on the image to be evaluated were reconstructed for this purpose. The width of the main lobe of the LPSF was used to perform spatially resolved studies on the resolution. The influence of typical undersampling schemes for CS as well as the usage of a discrete gradient transform for a further sparsification were investigated. Subsequently, the procedure was used to assess the spatial and temporal resolution in cardiac MRI. For all CS reconstructions performed in this work, the method allowed a solid and objective analysis of the image resolution. While up to now, comparisons to a fully sampled reference are widely used for a quality assessment, the proposed resolution evaluation represents a step towards a standardized analysis of images obtained by exploiting CS acceleration. The study on sampling schemes revealed, that also for CS accelerated acquisitions, the highest frequencies of the desired k-space have to be included. Former publications proposed undersampling patterns which partly featured a strong weight towards the center of k-space. The results of this thesis put these findings into perspective, as a loss in resolution has been observed for according approaches, at least for the simulations performed in this work. The dynamic acquisitions which were reconstructed exploiting x-f-sparsity proved to be prone to temporal blurring. This is substantiated by the suppression of high temporal frequencies and was analyzed by means of spatially resolved maps. Besides the resolution, an investigation of potential aliasing artifacts as well as the signal-to-noise-ratio (SNR) is essential for a comprehensive quality evaluation. While aliasing may also be investigated by means of the entries of the LPSF outside the main lobe, a modification of the multi-replica method proposed by Robson et al. was presented in chapter 5 to analyze the noise in CS reconstructed images. Taking into account all quality parameters, a robust evaluation of image quality is possible, even when CS is included in the imaging process. This allows a more objective comparison between new developments and present standard procedures and thus may aid the introduction of CS in clinical imaging. After the theoretical analysis on image quality, the next part of this thesis reports on the first application of CS to accelerate functional cardiac MRI of small animals. The studies were performed in cooperation with the British Heart Foundation Experimental Magnetic Resonance Unit (BMRU) of the University of Oxford. The algorithms needed for the CS acceleration were developed and optimized by means of the data acquired by the BMRU at their 9,4 T scanner.\\ An acceleration solely based on CS was investigated first. For this purpose, an ECG- and respiratory gated Cartesian cine acquisition was undersampled in phase encoding direction and reconstructed using CS. The dynamic time series was sparsified by determining temporal difference images for every time frame. A fully sampled temporal average image was obtained by varying the sampling pattern in the temporal dimension. Subsequently, this average image was subtracted from the images of individual heart phases, yielding the sparse temporal difference images. In the validation stage of the study, fully sampled cine acquisitions of mouse hearts were retrospectively undersampled in order to figure out the maximum possible CS acceleration. Cardiac functional parameters were determined for each group of a certain undersampling factor and compared by a statistical analysis. It was shown that a three-fold acceleration is possible without any degradation in the accuracy of the method. This undersampling factor was then validated in an accelerated measurement with a subsequent CS reconstruction. For this purpose, the sampling patterns were further optimized using the transform point spread function. In the subsequent chapter, the CS theory was combined with PI to further increase the acceleration. Again, the phase encoding direction of a Cartesian trajectory was undersampled. The acquisitions were performed using a 9,4 T scanner equipped with an 8 channel mouse coil. In order to exploit the potential of both techniques, CS and PI were combined in a serial manner. First, the k-space was equidistantly undersampled to enable the application of PI. An additional undersampling according to pseudo random numbers was then performed on the resulting sub-grid to allow an acceleration by CS. In consequence, the reconstruction was performed in a serial manner, too. CS was first applied to reconstruct the equidistantly undersampled sub-grid. GRAPPA was used subsequently to compute the still missing data. The equidistantly undersampled sub-grid was shifted from heart phase to heart phase in order to obtain a fully sampled low temporal resolution k-space for a calibration of the GRAPPA-weights. This procedure spares the acquisition time of a separate calibration scan. The following combinations were investigated by retrospectively undersampling a fully sampled cine dataset: R_CS x R_PI = 2 x 2, 2 x 3, 3 x 2 and 3 x 3. The analysis of the noise behavior, the systematic error and the resolution leads to the conclusion that a six-fold acceleration is possible using the proposed hybrid technique. While an increasing factor of the CS acceleration resulted in a slightly larger systematic error, a higher PI acceleration factor led to a slight noise enhancement. However, noise was suppressed for increasing CS acceleration at the same time. In summary, the deviations were at a level which allowed accelerations of up to R_CS x R_PI = 3 x 3. The determination of LPSFs showed a loss in spatial resolution of approximately 50% for a six-fold and up to 64% for nine-fold acceleration. Obviously, the observed suppression of noise was paid by a reduced image resolution for the comparatively noisy acquisitions in small animals. The increased blurring at the endocardial border impedes the segmentation and represents a possible source of error. Taking into consideration all results, a six-fold acceleration (R_CS x R_PI = 2 x 3, 3 x 2) seems reasonable. The additional usage of PI thus enables a further acceleration by a factor of 2 in comparison to an exclusive application of CS. In summary, CS enables a distinct reduction of scan time in preclinical functional cardiac MRI of small animals. Even if no phased-array-coils are available, the necessary amount of data can be reduced to one third without impairing the accuracy of left-ventricular volumes and mass measurements. For acquisitions performed with phased-array-coils, the three-fold acceleration by PI can be extended by an additional two-fold CS acceleration to a joint factor of R=6. Therefore, CS may contribute to an effective application of cardiac MRI in small animals for large collectives. In the last part of the thesis, a modality for clinical functional MRI of the heart was developed. CS was used to enable the acquisition of the whole heart in a single breath-hold of the patient. The current method of choice usually acquires 10-15 2D-slices of the heart, while each measurement requires a separate breath-hold. An undersampled 3D-trajectory was used to reach the necessary acceleration. Phase-encoding in one direction and radial projections in the two remaining ones allowed for an effective acquisition below the Nyquist-criterion. The sparsification of the image series was achieved by subtracting a temporal average image as performed for the preclinical studies. The functionality of the reconstruction technique at an acceleration factor of R ~ 10 was validated in a simulation based on a retrospectively undersampled dataset. The differences between the CS reconstructed and the fully sampled dataset were negligible and thus, the proposed trajectory was implemented at the scanner. An image series depicting the cardiac function with coverage of the full heart was acquired in a single breath-hold of a healthy volunteer using this sequence. Data not covered by the trajectory were reconstructed by the algorithm developed in the validation stage. Due to the slice profile of the fast excitation pulses, additional aliasing artifacts were present in the outer partitions with respect to the images obtained in the simulation. Streaking artifacts of a low intensity were still visible. Apart from that, the dynamics of the heart were excellently captured. The high contrast between the blood pool and the myocardium perfectly qualifies the images for the assessment of cardiac functional parameters. Therefore, the method allows for a higher patient comfort and throughput compared to the gold standard by drastically reducing the amount of necessary breath-holds to a single one.

Das Ziel dieser Promotion ist der Aufbau eines dreMR Setups für einen klinischen 1,5T Scanner, das die Relaxations-Dispersions-Bildgebung ermöglicht, und die anschließende Ergründung von möglichst vielen Anwendungsfeldern von dreMR. Zu der Aufgabe gehört die Bereitstellung der zugrunde liegenden Theorie, der Bau des experimentellen Setups (Offset-Spule und Stromversorgung) sowie die Programmierung der nötigen Software. Mit dem gebauten Setup konnten zwei große Anwendungsfelder — dreMR Messungen mit und ohne Kontrastmitteln — untersucht werden. / The goal of this dissertation is the design of a dreMR setup for a clinical 1.5T whole body scanner and the subsequent exploration of possible application fields for the dreMR method. This task includes the investigation of the underlying theory, the design and construction of the dreMR setup (offset-coil and current driver) and the preparation of required software. Two major application fields have been demonstrated: dreMR with and without contrast agents.

Das Enzym KasA spielt eine entscheidende Rolle in der Biosynthese von Mykolsäuren, den Bausteinen der Zellwände von Mycobacteriumtuberculosis. Dessen essentielle Notwendigkeit zeigt sich bei Abwesenheit von KasA in einer Zelllyse (Auflösung von Zellen) bei Mycobacteriumtuberculosis. Durch seine Bedeutung für Mycobacteriumtuberculosis, dem Erreger von Tuberkulose und damit der zweithäufigsten Todesursache durch Infektionskrankheiten, stellt KasA ein vielversprechendes Ziel für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Tuberkulose dar. Durch das Auftreten von extensiv resistenten Stämmen welche die meisten bekannten Antibiotika zur Bekämpfung von Tuberkulose inaktivieren wird es dringend notwendig neue Medikamente gegen Tuberkulose zu entwickeln. In Kapitel 3.1 wird der Protonierungszustand der katalytischen Reste im Ruhezustand untersucht. Für diese Untersuchungen wurden Free Energy Perturbation (FEP) Rechnungen und MD Simulationen verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass der zwitterionische Zustand am wahrscheinlichsten ist. Um diese Aussage mit weiteren handfesten Daten zu untermauern wurden Potential(hyper)flächen (PES) für den Protonentransfer zwischen neutralen und zwitterionischen Zustand mit Hilfe von QM/MM Methoden berechnet. Durch die starke Abhängigkeit der QM/MM Optimierung von der Ausgangsstruktur war es nicht möglich konsistente Ergebnisse für diese Berechnungen zu bekommen. Um dieses Problem zu umgehen wurde ein auf QM/MM basierendes Umbrella Sampling mit Semiempirischen Methoden (RM1) durchgeführt. Die sich daraus ergebende PMF Fläche zeigt das der zwitterionische Zustand stabiler ist als der neutrale Zustand. In Kapitel 3.2 wurde der Protonierungszustand der entsprechenden Reste im Acyl-Enzym Zustand untersucht. Im Unterschied zu anderen katalytischen Resten ist der Protonierungszustand von His311 ist nicht eindeutig im Acyl-Enzym Zustand und es ergeben sich aus den verschiedenen Protonierungszuständen verschiedene Decarboxylierungsmechanismen. Um den wahrscheinlichsten Protonierungszustand bezüglich der freien Energie zu bestimmen wurden FEP Rechnungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der pKa Wert an Nδ beträchtlich durch die Enzymumgebung verringert wird, während dies für Nε nicht der Fall ist. Zusätzlich dazu wurden die PMF Profile für den Protonentransfer zwischen Lys340 und Glu354 mit der QM/MM basierten Umbrella Sampling Methode berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lys340/Glu354 Paar eher neutral als ionisch ist, wenn His311 an Nε protoniert ist. Ein relativ hoher ionischer Charakter des Lys340/Glu354 Paares, wenn His311 doppelt protoniert ist, gibt einen wertvollen Einblick in die Rolle welche das Lys340/Glu354 Paar beim verschieben des Protonierungszustandes von Nδ zu Nε im His311 nach dem Acyltransferschritt spielt. Die Ergebnisse zeigen, dass His311 neutral und an Nε protoniert ist. Ebenso ist das Lys340/Glu354 Paar neutral im Acyl-Enzym Zustand. Diese berechneten Ergebnisse führen zu dem Schluss, dass die Decarboxylierung durch ein Oxyanion Loch erleichtert wird welches aus zwei katalytischen Histidin Resten besteht. In Kapitel 3.3 wurde der Protonierungszustand der katalytischen Reste im Ruhezustand erneut untersucht da eine aktuelle Benchmarkstudie zeigte, dass die verwendete Semiempirische Methode (RM1) in Kapitel 3.1 dazu tendiert die Stabilisation des zwitterionischen Zustandes zu überschätzen. Auch wurde in Kapitel 3.1 das Lys340/Glu354 Paar als rein ionisch angesehen, während sich in Kapitel 3.2 herausstellte, dass es sich um eine Mischung aus neutralen und ionischen Charakter handelt. Die neuen Untersuchungen beinhalten eine größere QM Region inklusive des Lys340/Glu354 Paares. Der dafür verwendete BLYP/6-31G** Ansatz ist ausreichend akkurat für die aktuelle Fragestellung, was durch Vergleichsrechnungen bewiesen wurde. Die neuen Ergebnisse der QM/MM MD und FEP Rechnungen deuten an, dass die katalytischen Reste im Ruhezustand höchst wahrscheinlich neutral vorliegen. Dies wiederum führt zu der Frage wie KasA aktiviert werden kann um die katalytische Reaktion zu initiieren. Auf der Basis der Ergebnisse der MD Simulationen und FEP Rechnungen für den His311Ala Mutanten in Kapitel 3.1 stellten wir die Hypothese auf, dass die offene Konformation von Phe404 die Aktivierung der katalytischen Reste durch die (Aus)bildung einer starken Wasserstoffbindung einleitet. Die QM/MM MD Simulation bestätigt dass diese Aktivierung der katalytischen Reste durch die offene Konformation des Phe404 bewerkstelligt werden kann. Das entsprechende auf Kraftfeld basierende PMF Profil zeigt auch, dass dieser Konformationswechsel energetisch realisierbar ist. Die Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Reste in der Malonyl Bindungstasche in Verbindung mit unseren berechneten Ergebnissen geben einen Einblick in den detaillierten / KasA is a key enzyme which plays an essential part in the biosynthetic pathway of mycolic acids, the building block of cell wall in Mycobacterium tuberculosis. Its importance was demonstrated by the finding that the depletion of KasA leads to the cell lysis of Mycobacterium tuberculosis. Since Mycobacterium tuberculosis is a pathogen of tuberculosis, the second leading cause of death from an infectious disease worldwide, KasA has drawn attention as one of the attractive drug targets against tuberculosis. Due to the emergence of extensively drug-resistant strains which make most of the known antibiotics for treating tuberculosis ineffective, it became an urgent issue to develop new drugs against tuberculosis. In chapter 3.1, the protonation state of the catalytic residues in the resting state was mainly addressed. The FEP computation and MD simulations were employed for this investigation, and the results showed that the zwitterionic state is most probable. To underpin this conclusion with more solid data, The PESs for the proton transfer between the neutral and zwitterionic state were computed in the context of QM/MM. However, due to the strong dependency of the QM/MM optimization on the initial structure, it was not possible to obtain consistent results from these computations. To circumvent this problem, QM/MM based umbrella sampling was carried out with a semi-empirical method (RM1), and the resulting PMF surface indicated that the zwitterionic state is more stable than the neutral state. In chapter 3.2, the protonation state of significant residues in the acyl-enzyme state was investigated. Unlike other catalytic residues, the protonation state of His311 is ambiguous in the acyl-enzyme state, and different decarboxylation mechanisms can be derived depending on the protonation state of His311 in the acyl-enzyme state. Therefore, FEP computations were carried out to find most probable protonation state of His311 in terms of free energy, and the results showed that the pKa value at Nδ is considerably lowered by the enzyme environment while that of Nε is not. Additionally, the PMF profiles for the proton transfer between Lys340 and Glu354 were computed using QM/MM based umbrellas sampling method, and the results showed that the property of the Lys340/Glu354 pair is neutral rather than ionic when His311 is protonated at Nε. Moreover, a relatively larger ionic character of the Lys340/Glu354 pair when His311 is doubly protonated provides a valuable insight into how the Lys340/Glu354 pair plays a role in shifting the protonated state from Nδ to Nε in His311 after the acyl-transfer step. Overall, the results demonstrated that His311 is neutral and protonated at Nε, and the Lys340/Glu354 pair is also neutral in the acyl-enzyme state. Those computational results lead to the conclusion that the decarboxylation reaction is facilitated by an oxyanion hole which is comprised of two catalytic histidines. In chapter 3.3, the protonation state of catalytic residues in the resting state was revisited because a recent benchmark study showed that the employed semi-empirical method (RM1) in chapter 3.1 tends to overestimate the stabilization of the zwitterionic state. Furthermore, the Lys340/Glu354 pair was considered as purely ionic in chapter 3.1, while it actually has a mixed neutral and ionic character as demonstrated in chapter 3.2. The new investigations employed a larger QM region including the Lys340/Glu354 pair with the BLYP/6-31G** approach, which was proven to be accurate enough for the present purpose by benchmark computations. The new results from the QM/MM MD and FEP computations indicated the catalytic residues to be neutral most probably in the resting state, and this in turn brought up the question how KasA can be activated to initiate the catalytic reaction. On the basis of the results from the MD simulations and FEP computations for the His311Ala mutant in chapter 3.1, we hypothesized that the open conformation of Phe404 would trigger the activation of the catalytic residues by the formation of a strong hydrogen bond. The QM/MM MD simulation proved that the activation of the catalytic residues can indeed be accomplished by the open conformation of Phe404 we suggested, and the corresponding force field based PMF profile also indicated that this conformational change is energetically feasible. The distribution of hydrophilic and hydrophobic residues in the malonyl binding pocket in conjunction with our computational results further provided a valuable insight into the detailed process how the catalytic residues is activated upon the substrate entering.

The subject of this work was to develop, implement, optimize and apply methods for quantitative MR imaging of tumors. In the context of functional and physiological characterization, this implied transferring techniques established in tumor model research to human subjects and assessing their feasibility for use in patients. In the context of the morphologic assessment and parameter imaging of tumors, novel concepts and techniques were developed, which facilitated the simultaneous quantification of multiple MR parameters, the generation of “synthetic” MR images with various contrasts, and the fast single-shot acquisition of purely T2-weighted images. / Gegenstand dieser Arbeit war die Entwicklung, Implementierung, Optimierung und Anwendung von Methoden für die quantitative MR-Bildgebung an Tumoren. In Bezug auf eine funktionelle und physiologische Charakterisierung wurden in der Forschung an Tumormodellen etablierte Verfahren für den Einsatz am Menschen adaptiert und ihre Anwendbarkeit zur Untersuchung von Tumoren wurde an Patienten erforscht. Im Bereich der morphologischen Untersuchung und Parameterbildgebung an Tumoren wurden neue Konzepte und Verfahren entwickelt, welche die simultane Quantifizierung mehrerer MR-Parameter, die Generierung "synthetischer" MR-Bilder mit unterschiedlichen Kontrasten, sowie die schnelle "Single-Shot"-Akquisition rein T2-gewichteter Bilder ermöglichen.

This thesis studies the visualization of set collections either via or defines as the relations among contours. In the first part, dynamic Euler diagrams are used to communicate and improve semimanually the result of clustering methods which allow clusters to overlap arbitrarily. The contours of the Euler diagram are rendered as implicit surfaces called blobs in computer graphics. The interaction metaphor is the moving of items into or out of these blobs. The utility of the method is demonstrated on data arising from the analysis of gene expressions. The method works well for small datasets of up to one hundred items and few clusters. In the second part, these limitations are mitigated employing a GPU-based rendering of Euler diagrams and mixing textures and colors to resolve overlapping regions better. The GPU-based approach subdivides the screen into triangles on which it performs a contour interpolation, i.e. a fragment shader determines for each pixel which zones of an Euler diagram it belongs to. The rendering speed is thus increased to allow multiple hundred items. The method is applied to an example comparing different document clustering results. The contour tree compactly describes scalar field topology. From the viewpoint of graph drawing, it is a tree with attributes at vertices and optionally on edges. Standard tree drawing algorithms emphasize structural properties of the tree and neglect the attributes. Adapting popular graph drawing approaches to the problem of contour tree drawing it is found that they are unable to convey this information. Five aesthetic criteria for drawing contour trees are proposed and a novel algorithm for drawing contour trees in the plane that satisfies four of these criteria is presented. The implementation is fast and effective for contour tree sizes usually used in interactive systems and also produces readable pictures for larger trees. Dynamical models that explain the formation of spatial structures of RNA molecules have reached a complexity that requires novel visualization methods to analyze these model\'s validity. The fourth part of the thesis focuses on the visualization of so-called folding landscapes of a growing RNA molecule. Folding landscapes describe the energy of a molecule as a function of its spatial configuration; they are huge and high dimensional. Their most salient features are described by their so-called barrier tree -- a contour tree for discrete observation spaces. The changing folding landscapes of a growing RNA chain are visualized as an animation of the corresponding barrier tree sequence. The animation is created as an adaption of the foresight layout with tolerance algorithm for dynamic graph layout. The adaptation requires changes to the concept of supergraph and it layout. The thesis finishes with some thoughts on how these approaches can be combined and how the task the application should support can help inform the choice of visualization modality.

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