Konstanz, Univ., Diss., 2008.

Fasplattorna i transmissionselektronmikroskop (TEM) används i dagsläget för att förbättra kontrasten men har vissa nackdelar som, till exempel, bidrag av brus och låg upplösning. En eventuell lösning till detta problem är en elektronfasplatta som utnyttjar fältpotentialen hos en extern elektronstråle som skapar en potentialövergång för TEM:ets primära elektronstråle vilket skiftar dess fas. Målet med detta projekt var att designa en elektronkanon genom att simulera ett elektrostatiskt linssystem som skall skapa en elektronfasplatta med en viss ström och stråltjocklek. Designen av dessa linssystem gjordes i CAD-programmet Solid Edge och simuleringarna utfördes i COMSOL Multiphysics. Från simuleringarna framgår det att det är möjligt att designa en elektronkanon som kan skapa en elektronfasplatta med stråltjockleken ~1,8 µm och strömmen ~10 µA. Simuleringarna visade dock att en förflyttning in i mikroskopet inte var möjligt för elektronkanonen eftersom elektronfasplattans stråltjocklek inte kunde bevaras. Slutsatserna var, för att lyckas förflytta elektronfasplattan måste partikelinteraktioner i elektronstrålen och sfäriska aberrationer för linserna minskas genom att antingen byta till magnetiska linser eller implementera CS-correctorer. / The problem with today’s phase plates in transmission electron microscopes (TEM), that are used to improve contrast, are their noise contributions and low resolution. A potential solution to this problem is an electron phase plate which utilize the field potential of an external electron beam that creates a potential crossing for the primary electron beam in the TEM and hence shifts their phase. The aim of this project was to design an electron gun by simulating an electrostatic lens system that should produce an electron phase plate with a certain current and crossover. The lens system design was created in the CAD-software Solid Edge and the simulations were performed in COMSOL Multiphysics. The simulations showed that it is possible to design an electron gun which is able to produce an electron phase plate with a crossover of ~1,8 µm and a current of ~10 µA. The simulations however showed that the electron gun was unable to transfer the electron phase plate into the microscope whilst maintaining its crossover size. The conclusions were, to successfully transfer the electron phase plate, the particle interactions in the electron beam and the spherical aberrations of the lenses must be reduced either by changing to magnetic lenses or by implementing CS-correctors.

A Penning-type surface-plasma negative hydrogen (H^-) ion source has been delivering beam at the ISIS pulsed spallation neutron and muon facility for over thirty years. It is one of the most powerful and well-renowned H^- sources in the world. Although long-term experience has allowed the source to be operated reliably and set up in a repeatable way, it is treated as something of a 'black box': the detailed plasma physics of why it works has always been unclear. A vacuum Vessel for Extraction and Source Plasma Analyses (VESPA) has been developed to understand the ISIS ion source plasma and improve the beam extracted from it. The VESPA ion source is operated in a completely new regime whereby the analysing sector dipole magnet housed inside a refrigerated 'cold box', presently used on ISIS, is replaced by an on-axis extraction system. The new extraction system incorporates a novel einzel lens with an elliptical aperture. This is the first demonstration of an elliptical einzel being used to focus an asymmetric H^- ion beam. With the dipole magnet removed, the ion source has been shown to produce 85 mA of H^- beam current at normal settings; of which 80 mA is transported through the new einzel lens system, with a normalised RMS emittance of 0.2 π mm mrad. Optical emission spectroscopy measurements have shown a plasma density of 10¹⁹ m^–3, an H₂ dissociation rate of 70%, an almost constant electron temperature of 3.5 eV and an atomic temperature which linearly increases above the electron temperature. In support of these principal measurements, rigorous particle tracking, electrostatic and thermal simulations were performed. In addition, a suite of new equipment was manufactured by the author. This includes a fast pressure gauge, a temperature controller, a high voltage einzel lens circuit, a fast beam chopper and a caesium detection system.

Polymeric vesicles or polymersomes are one of the supramolecular entities at the leading edge of synthetic biology. These small compartments have shown to be feasible candidates as nanoreactors, especially for enzymatic reactions. Once cross-linked and equipped with a pH sensitive material, the reaction can be switched off (pH 8) and on (pH 6) in accordance with the increased permeability of the polymersome membranes under acidic conditions. Thus cross-linked and pH sensitive polymersomes provide a basis for pH controlled enzymatic reactions where no integrated transmembrane protein is needed for regulating the uptake and release of educts and products in the polymersome lumen. This pH-tunable working tool was further used to investigate their use in sequential enzymatic reactions (glucose oxidase and myoglobin) where enzymes are loaded in one common polymersome or in two different polymersomes. Crossing membranes and overcoming the space distance between polymersomes were shown successfully, meaning that educts and products can be exchanged between enzyme compartments for successful enzymatic cascade reactions. Moreover the stabilizing effect of polymersomes is also observable by single enzymatic reactions as well as a sequence. This study is directed to establish robust and controllable polymersome nanoreactors for enzymatic reactions, describing a switch between an off (pH 8) and on (pH 6) state of polymersome membrane permeability with no transmembrane protein needed for transmembrane exchange.

Toll-like Rezeptoren (TLRs) sind essentielle angeborene Rezeptoren, die konservierte Strukturen von Krankheitserregern oder Gefahrsignale, die von beschädigten Zellen freigesetzt werden, erkennen können. Genetische Variationen in TLRs wie Einzel-Nukleotid-Polymorphismus (SNP) können die Funktion von TLRs beeinträchtigen und erste Studien zeigen, dass dies zu einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Virusinfektionen oder einem erhöhten Krebsrisiko führen kann. In dieser Studie haben wir einen Multicolor-Durchflußzytometrie-Test entwickelt, um die TLR-Funktionen in verschiedenen Subpopulationen unseparierter peripherer mononukleärer Blutzellen (PBMCs) simultan analysieren zu können. Wir konnten beobachten, dass das Ausmaß der TLR-Antworten zwischen den Probanden stark variierte, jedoch über einen Zeitraum von einem Monat gut reproduzierbar war. Zunächst untersuchten wir TLR Reaktionen bei Patienten mit rezidivierenden Herpes labilalis (HL). Im Vergleich zu asymptomatischen Personen war eine HL- Anamnese mit einer signifikant verminderten TLR3-IFN-Gamma-Antwort nach Stimulation mit poly(I:C) in NK Zellen assoziiert. Weitere molekulare Untersuchungen zeigten eine mögliche Beteiligung von TLR3 L412F SNP, welcher die oberflächliche TLR3 Expression und die IFN-Gamma-Antworten in NK-Zellen reduzierte. Einige Studien zeigen, dassTLR1 I602S, ein weiterer sehr verbreiteter SNP, in der Lage ist die TNF-Alpah-Antworten von Monozyten gegen den TLR2/1-Agonisten (Pam3Cys) zu verringern. In der hier vorliegenden Arbeit konnten wir zudem nachweisen, dass TLR1 I602S SNP auch die Funktion von NK-Zellen und CD8+ T-Zellen beeinträchtigt. Wir konnten keine Assoziation zwischen TLR2/1-Defizienz und reaktivierendem HL feststellen. Jedoch konnten wir an einer großen Kohorte von über 326 Patienten zeigen, dass der TLR1 SNP sowohl ein Risikofaktor für Magenkarzinomentstehung als auch für die Metastasierung ist. Zusammenfassend weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass genetische Polymorphismen von TLRs die Funktion von NK-Zellen beeinträchtigen und zu einer erhöhten Anfälligkeit für HSV-1 Erkrankung und Magenkarzinom führen können. / Toll-like Receptors (TLRs) are essential innate receptors which recognize conserved structures of pathogens, or danger signals released from damaged cells. Alterations of TLR responses might result in severe viral infections or a higher risk of cancer. Therefore, development of clinical assays to evaluate TLR functions could provide personalized information about susceptibility to these diseases. Since TLRs are differentially expressed on different subsets of human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), a multi-color flow cytometry-based assay was developed to detect TLR responses of individual cell types simultaneously. We observed that the magnitude of TLR responses largely varied between human subjects, but was highly reproducible over one month. To evaluate the potential role of differences in natural killer (NK) cell TLR response we studied the association of NK cell TLR function and TLR single nucleotide polymorphisms (SNPs) with susceptibility to recurrent herpes labialis (HL) and gastric cancer. Using our assay, impaired TLR3 response of NK cells was found in people with recurrent HL. In addition, we have identified enhanced levels of homozygous TLR3 L412F SNP in people with recurrent HL, which results in lower surface expression and reduced NK cell response to poly(I:C). TLR1 I602S, another common SNP, has been reported to decrease TNF-Alpha responses of monocytes toward TLR2/1 agonist, Pam3CSK4 (Pam3Cys), stimulation. In our study, we found that TLR1 I602S homozygosity also contributes to impaired IFN-Gamma responses of NK cells and CD8+T cells. Although we did not observe an association of TLR2/1 deficiency with recurrent HL, association of TLR1 I602S with risk for primary as well as metastatic gastric cancer was found in a cohort of 326 patients. To sum up, our results suggest that genetic polymorphisms of TLRs can impair TLR function of NK cells, which contribute to the increased susceptibility to HSV-1 diseases and gastric cancer.

In dieser Dissertation werden Resultate einer Suche nach der Produktion von Einzel-Top-Quarks über flavour-verletzende neutrale Ströme (FCNCs) in starken Welchselwirkungen vorgestellt. Hierfür werden Daten aus Proton-Proton-Kollisionen am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 8TeV verwendet. Die Daten wurden mit dem ATLAS-Experiment im Jahr 2012 aufgenommen und entsprechen einer integrierten Luminosität von 14.1 fb−1. In der Analyse werden FCNC-Ereignisse selektiert, in denen ein leichtes Quark (u oder c) mit einem Gluon wechselwirkt, und ein einzelnes Top-Quark und potentiell ein weiterer einzelner Jet produziert wird. Mittels der Forderung nach genau einem Myon oder Elektron, großer fehlender Transversalenergie und exakt einem Bottom-Quark-Jet und eventuellem zusätzlichen Jet im Endzustand werden Kandidaten der gesuchten Ereignisse im leptonischen Zerfallskanal des Top-Quarks selektiert. Zur Unterscheidung zwischen Signal- und Untergrundereignissen werden multivariate Methoden herangezogen. Künstliche neuronale Netze werden verwendet, um diverse kinematische Variablen zu einem einzelnen Klassifikator zu kombinieren. Um die potentielle Produktion von Top-Quarks über FCNCs zu quantifizieren, werden die Ausgaben der neuronalen Netze einer Bayes''schen statistischen Analyse unterzogen. Da kein Überschuss an Signalereignissen festgestellt werden kann und die Ergebnisse den Erwartungen der theoretischen Vorhersagen entsprechen, werden neue obere Schranken auf den FCNC-Produktionswirkungsquerschnitt von Einzel-Top-Quarks ermittelt. Aus diesen werden unter Verwendung von modell-unabhängigen theoretischen Berechnungen neue obere Schranken auf die Kopplungskonstanten sowie auf die entsprechenden Verzweigungsverhältnisse ermittelt. / This thesis presents results of a search for single top-quark production via flavour-changing neutral currents (FCNCs) in strong interactions using data recorded with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider in 2012. A dataset from proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8TeV and corresponding to an integrated luminosity of 14.1 fb−1 is used. It is searched for FCNC events in which a light quark (u or c) interacts with a gluon to produce a single top quark, either with or without the associated production of another light quark or gluon. Candidate events of leptonically decaying top-quarks are selected by requiring a single electron or muon, a substantial amount of missing transverse energy, and exactly one or two jets of which exactly one has to fulfil a b-tagging criterion. Multivariate techniques are employed in order to distinguish between signal- and background-like events by making use of artificial neural networks that combine multiple kinematic variables into a single classifier output. A Bayesian statistical analysis is performed on the classifier outputs in order to quantify potential signs of FCNC single top-quark production. No excess in signal events is observed and the results are in agreement with the theory predictions. Consequently a new upper limit is set on the FCNC single top-quark production cross-section multiplied by the t->Wb branching fraction. Using theory calculations within a model-independent effective theory framework, this limit is converted into upper limits on the coupling constants of the FCNC interactions as well as into respective upper limits on the branching fractions.

Es wird eine Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV vorgestellt. Der verwendete Datensatz wurde mit dem ATLAS Detektor am LHC aufgenommen und entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3 inversen Femtobarn. Kollisionsereignisse werden selektiert, sodass der resultierende Anteil der Signalereignisse relativ hoch ist. Selektierte Ereignisse enthalten ein isoliertes Elektron oder Myon, fehlenden Transversalimpuls und zwei Jets, die durch b-Quarks induziert wurden. Alle Objekte haben hohe transversalimpulse. Auch nach dieser Selektion überwiegen Untergrundprozesse, insbesondere die Paarproduktion von Top-Quarks und die Produktion von W-Bosonen begleitet von Jets. Um den Signalprozess weiter von den Untergründen zu trennen, werden mehrere Wahrscheinlichkeitsdichten näherungsweise berechnet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Annahme des zugrundeliegenden Streuprozesses. Zusammen ergeben sie eine Funktion der gemessenen Impulse, mit deren Hilfe das Signal weiter von den Untergründen getrennt werden kann. Ein statistisches Modell der entsprechenden Verteilung wird an die Messdaten angepasst. Diese Messung ergibt eine Signifikanz des Signalprozesses von 3.4 Standardabweichungen und einen totalen Wirkungsquerschnitt von 5.3^+1.8_-1.6 Pikobarn. Dies ist die erste signifikante Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen. Die Ergebnisse stimmen mit der Vorhersage des Standardmodells überein. / A measurement of s-channel single top-quark production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV is presented. The data set has been recorded with the ATLAS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 20.3 inverse femtobarn. Collision events are selected so that a subset of the data is obtained where the signal fraction is relatively high. Selected events contain one isolated electron or muon, missing transverse momentum and 2 jets, both of which are induced by b-quarks. All of these objects have large transverse momenta. The resulting set of events is still dominated by background processes, most notably top-quark pair production and the production of W bosons in association with jets. In order to further separate the signal from the backgrounds, several approximate event likelihoods are computed. They are based on different hypotheses regarding the scattering process at hand. Together they result in a function of the measured momenta which allows for the desired separation of the signal process. A statistical model of the corresponding distribution is used in a fit to the measured data. The fit results in a signal significance of 3.4 standard deviations and a total cross section of 5.3^+1.8_-1.6 picobarn. This is the first evidence for s-channel single top-quark production in proton-proton collisions. The results agree with the standard model prediction.

Zusammenfassung Die molekularbiologischen Untersuchungen der variablen Genabschnitte der Immunglobulingene von Lymphomzellen zweier Patienten mit kutanen B-Zell-Lymphomen wurden in der vorliegenden Arbeit mittels Einzel-Zell-PCR-Technik durchgeführt. Die erfolgte Analyse galt bevorzugt dem Aspekt der intraklonalen Diversität. Die Sequenzanalysen der Ig-Gene für die leichte Kette aus den insgesamt 100 untersuchten Tumorzellen des Patienten WS ergaben, daß zwischen den Zellen aus drei voneinander entfernt lokalisierten Gewebeproben intraklonale Diversität vorlag. Aufgrund der Mutationsanalysen und der Zuordnung der Subklone zu den Entnahmeorten ist eine evtl. antigengetriebene Entwicklung des Tumorklons zu vermuten. Bei Patient LB konnte trotz des großen Aufwandes, der Untersuchung von insgesamt 126 Zellen aus acht räumlich getrennten Biopsien, keine intraklonale Diversität für die schwere Kette der Immunglobulingene aufgezeigt werden. Die Sequenzunterschiede der leichten Kette beruhen auf einer einzigen stummen Mutation im Bereich der CDR 1, die keinen funktionellen Einfluß auf die Aminosäuresequenz hat und deshalb geringe prognostische Bedeutung besitzt. In beiden Fällen lagen hypermutierte Immunglobulingene vor. Die Tumorzellen des Patienten WS sind aus molekularbiologischer Sicht Keimzentrumszellen, die des Patienten LB eher Nachkeimzentrumszellen zuzuordnen. Die gewonnenen Erkenntnisse zeigen, daß bei der Untersuchung und Erforschung der Pathogenese von kutanen B-Zell-Lymphomen eine gewonnene Gewebeprobe nicht repräsentativ für den gesamten Tumor sein muß. Veröffentliche Ergebnisse, bei denen Monoklonalität anhand einer Biopsie postuliert wurde, müssen daher initial überdacht werden (74;76;77;84). Es ist folglich in Betracht zu ziehen, daß bei einer exakten molekularbiologischen Zuordnung der Tumorzellen zu ihrem Entwicklungsstadium und ihrer Herkunft räumliche als auch zeitliche Faktoren zu beachten sind. Eine chronologische Untersuchung könnte aufzeigen, ob andauernde Mutationen in den Tumorzellen stattfinden. Die Mikromanipulation und die Einzel-Zell-PCR-Technik sind elegante Methoden, um intraklonale Sequenzunterschiede aufzuzeigen und einen Beitrag für die molekularbiologische Erforschung der Pathogenese von kutanen B-Zell-Lymphomen zu leisten. Eine Kontrolle von malignoproliferativen Krankheiten, ob es unter den heutigen Therapiemöglichkeiten gelingt, den malignen Tumorklon vollständig zu beseitigen oder Aussagen über Progredienz und Prognose zu treffen, wäre ein interessanter Einsatzbereich dieser Methode. / abstract The molecularbiological investigation of the immunoglobulin variable region genes of two patients suffering on primary cutaneous B-cell-lymphoma was carried out using single-cell- PCR technic. The main focus lay on the aspect on the aspect of detecting intraclonal diversity. The sequence nucleotid-analysises of the immunoglubulin light chain genes obtained from a total of 100 investigated tumor B-cells in patient WS revealed intraclonal diversity among cells isolated from three spatially separated tissue samples. Considering the mutational pattern and the subclones in dependence on the tumorcells, taken from different topographical tumorsides, an antigen-driven clonal expansion could be supposed. Despite extensive efforts and the analysis of altogether 126 tumor B-cells out of eight spatially different localised biopsies, no intraclonal diversity could be observed for the immunoglobulin heavy chain rearrangement of second patient LB. Sequence differences of the Ig light chain based on only a single silent mutation within the CDR1 region. This mutation has no functional affect of the amino acid sequence and therefore little prognostical significance. In both cases the immunoglobulin genes were somatically hypermutated in compromise to the germ-line gene. From the molecularbiological point of view, the tumor cells of patient WS descended from germinal center cells, whereas the tumor B-cells of patient LB rather can be characterized as post-germinal center cells. The results clearly demonstrate, that the investigation of a single tissue sample of primary cutaneous B-cell lymphoma using micromanipulation and single cell-PCR technic may not be representative for the whole tumor. Publications concluding monoclonality with no intraclonal diversity from the analysis of a single biopsie therefore have to be interpreted with caution (74;76;77;84). Accordingly, an appropiate molecularbiological characterization of tumor B-cells regarding their developmental stage and origin has to consider spatial and time dependant aspects. Only the investigation of sequential biopsies may reliably detect ongoing mutations in tumor B-cells. The combination of micromanipulation and single cell PCR represents an elegant method to observe intraclonal diversity. The technic will give contribution to molecularbiological investigation of the pathogenesis of primary cutaneous B-cell lymphomas. It could be of interest to apply this method to the evaluation of current therapies with respect to its capability to eradicating the malignant cell clone completely, and to draw conclusions on disease progression and prognosis.

Diese Studie stellt die Messung des Wirkungsquerschnitts der elektroschwachen Einzel-Top-Quark-Produktion im t-Kanal vor, bei der das Top-Quark semileptonisch zerfällt. Die Studie basiert auf 4.7 fb^{-1} an Daten aus Proton-Proton-Kollisionen, die vom ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider im Jahr 2011 aufgezeichnet wurden. Die ausgewählten Ereignisse beinhalten zwei hochenergetische Jets, von denen einer als von einem b-Quark stammend identifiziert wurde, sowie ein hochenergetisches Elektron oder Myon und fehlende Transversalenergie. Der Fall von drei und vier Jets wird ebenfalls betrachtet, aber schließlich verworfen, da ihre Miteinbeziehung die Präzision des Ergebnisses herabsetzt. Die Ereignisrekonstruktion erfolgt durch einen Chi-Quadrat-basierten kinematischen Fit mit W-Boson- und Top-Quark-Massenzwangsbedingungen. Der Wert des Chi-Quadrat in jedem Ereignis dient dazu, das Ereignis als signal- oder untergrundähnlich zu klassifizieren. Der Wirkungsquerschnitt wird mittels eines template-basierten Maximum-Likelihood-Fits an die Verteilung, die die beste Trennschärfe besitzt, extrahiert: Die Verteilung is derart gewählt, dass die Formunterschiede zwischen Signal und Untergrund bezüglich der Kinematik des typischen leichten Vorwärtsjets des t-Kanals ausgenutzt werden. Eine Beobachtung des Single-Top-t-Kanal-Prozesses mit einer Signifikanz von 5.7 Sigma wird erreicht, und der Wirkungsquerschnitt wird zu 111^{+29}_{-28} pb gemessen. Unter der Annahme |Vtb|^{2} >> |Vtd|^{2} + |Vts|^{2} sowie einer (V-A)-, CP-erhaltenden Wechselwirkung, und unter Berücksichtigung von möglichen anomalen Kopplungen am W-t-b-Vertex, wird der Wert des entsprechenden CKM-Matrixelements mal einem anomalen Formfaktor zu |Vtb*f^{L}_{1}| = 1.30^{+0.13}_{-0.16} bestimmt. Dies führt zu einer unteren Grenze im Standardmodell-Szenario 0 / This study presents the cross-section measurement of electroweak single-top quark production in the t-channel with a semi-leptonically decaying top quark. The study is based on 4.7 fb^{-1} of proton-proton collision data recorded with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider in the year 2011. Selected events contain two highly energetic jets, one of which is identified as originating from a beauty quark, as well as a highly energetic electron or muon and transverse missing energy. The case of three and four jets is also considered but eventually discarded since their inclusion degrades the precision of the result. The event reconstruction is done with a chi-square-based kinematic fit using W boson and top quark mass constraints. The chi-square value in each event serves to classify the event as a signal-like or background-like process. The cross-section is extracted by performing a template-based maximum likelihood fit to the distribution that displays the best discriminatory power: This distribution is chosen such that the shape differences between signal and background with respect to the typical forward light jet kinematics of the t-channel are exploited. An observation of the single-top t-channel process with a significance of 5.7 Sigma is obtained, and the cross-section is measured to be 111^{+29}_{-28} pb. Assuming |Vtb|^{2} >> |Vtd|^{2} + |Vts|^{2} as well as a (V-A), CP-conserving interaction, and allowing for the presence of anomalous couplings at the W-t-b vertex, the associated value of the CKM matrix element times an anomalous form factor is determined as |Vtb*f^{L}_{1}| = 1.30^{+0.13}_{-0.16}. The corresponding lower limit in the standard model scenario 0