La forte progression démographique mondiale induit une demande d’énergietoujours en hausse. Ceci se traduit par un fort développement de nouvelles énergiesrenouvelables qui nécessitent, de par leur nature intermittente, des dispositifs de stockagede l’énergie. Parmi eux les supercondensateurs permettent un stockage électrostatique decharges (supercondensateurs à base de carbones activés), mais certains systèmes, ditspseudocapacitifs, font en outre intervenir des réactions redox rapides de surface.L’association des deux systèmes permettent d’accéder à des propriétés intéressantes, enparticulier pour le système MnO2/carbone activé. Cependant, les oxydes de manganèse sontd’excellents matériaux pseudocapacitifs mais assez peu conducteurs électroniques.L’objectif de ce travail est d’améliorer cette conductivité en les associant avec des oxydes decobalt conducteurs. Pour cela, une approche « architecturale » de synthèse de matériaux aété choisie. En partant d’oxydes de Mn et de Co lamellaires, ceux-ci sont exfoliés pourobtenir des nanofeuillets de nature différente. S’ensuit une étape de réempilement pouraboutir à un matériau lamellaire alterné. L’analyse structurale et morphologique desmatériaux prouve que des nanocomposites très finement divisés sont obtenus. Lespropriétés électrochimiques obtenues pour ces nanocomposites s’avèrent meilleures quecelles des matériaux initiaux, tant en densité d’énergie qu’en puissance. Cette stratégieoriginale est prometteuse et ouvre la voie à des réempilements de différente nature,notamment le graphène. / The ever increasing demand of renewable energies imposes, due to theirintermittent nature, the development of performant energy storage devices. Supercapacitorsare reliable devices that offer a high power density and numerous investigations are focusingon increasing their energy densities. In particular, asymmetric "metal oxides / activatedcarbons" supercapacitors are possible candidates. The MnO2/carbon system is the mostinvestigated system, due to its capability to work in aqueous medium at potentials up to 2 V,as well as to the low cost and environmental friendliness of manganese. Nevertheless, thissystem suffers from the poor electronic conductivity of manganese. This work reports anoriginal strategy for novel electrode materials involving exfoliation and restacking processesof lamellar “building blocks”: lamellar manganese oxides for their pseudocapacitiveproperties and lamellar cobalt oxyhydroxides for their high electronic conductivity. Thematerial engineering strategy focuses on the exfoliation of the lamellar materials intooligolamellae. The obtained suspensions are then restacked through various strategies andnew well defined mixed oxides are obtained. After structural and morphologicalcharacterization, it is clear that these nanocomposites present an intimate mix of the twoinitial phases. The electrochemical responses are hereby enhanced, proving the intertwinedrelationship between structure, morphology and properties. Furthermore, this architecturalapproach of building novel electrode materials is original and efficient and can easily betransposed to other “building blocks”, including graphene.

Ein Signalweg während der neuronalen Entwicklung im adulten Gehirn ist der PI3K-PTEN-Akt Signalweg. Akt ist eine Kinase die drei verschiedene Isoformen besitzt, welche durch die Phosphorylierung von S473 und T308 aktiviert werden. KO Modelle der Isoformen haben gezeigt, dass nicht alle Funktionen von anderen Isoformen kompensiert werden können. Die genaue Rolle der einzelnen Isoformen in einem neuronalen Zusammenhang ist nur wenig untersucht. Ziel dieser Arbeit war, eine detaillierte Analyse der einzelnen Akt Isoformen nach der Aktivierung des PI3K-PTEN Signalweges. Dazu wurde im Labor eine neue Methode zur isoelektrischen Fokussierung etabliert., welche Proteine nach ihrer Ladung trennt und somit eine Analyse der Dynamik von Akt Phosphorylierungen in neuronalen Zellen erlaubt. Im Zuge dieser Arbeit konnten wir bisher unerkannte Merkmale der Akt Aktivierung und Phosphorylierung identifizieren. Wir konnten zeigen, dass die S473 und T308 Phosphorylierung in Neuroblastomazellen unabhängig voneinander auftreten kann und, dass verschiedene Akt1 Moleküle unterschiedlich auf die Inhibition von PI3K reagieren. Außerdem konnten wir Verschiebungen in der Aktivierung und in der Expression der unterschiedlichen Isoformen während der postnatalen Gehirnentwicklung der Ratte feststellen. Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Aktivierung von Akt von dem Signal und dem Alter der Neurone abhängig ist. Noch nicht vollständig differenzierte Neurone reagieren vor allem auf BDNF Stimulation, wohingegen adulte, differenzierte Neurone hauptsächlich auf EGF reagieren und dort explizit Akt2 über EGFR und PI3K-p110α Signale aktiviert wird. Im Gegensatz dazu führt der Verlust von PTEN zu einer Aktivierung von hauptsächlich Akt1. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit einen komplexen Zusammenhang der Phosphorylierung von Akt auf, welcher Signal- und Entwicklungsabhängig ist bei dem unterschiedliche Akt Populationen auf Wachstumsfaktoren und auf PTEN Verlust reagieren. / A major pathway involved in neuronal development is the PI3K-PTEN-Akt pathway. Akt comprises three isoforms, which are activated by phosphorylation of the residues S473 and T308. KO animals for the isoforms have shown differential as well as redundant functions of the three isoforms. However, their individual role in neuronal signaling pathways has not yet been studied in great detail. The aim of this study was to obtain further insight into differential Akt isoform signaling in response to changes in the activity of PI3K and PTEN pathway. A new isoelectric focusing method was established, which allowed us to separate Akt proteins according to their charge, therefore, providing a refined read-out to study dynamics of Akt phosphorylation in a neuronal background. In the course of this project we were able to identify previously undescribed features of Akt phosphorylation and activation. First, we could provide evidence for an uncoupling of the two activating phosphorylation events at S473 and T308 in neuroblastoma cells and differential sensitivities of Akt1 forms towards PI3K inhibition. Secondly, we found a transient shift in Akt isoform activation and abundance during postnatal rat brain development. Thirdly, we were able to show that the activation of different Akt isoforms is dependent of the upstream signal as well as the age of the neuron. Immature neurons were found to be highly responsive to BDNF treatment, whereas mature neurons were most responsive to EGF stimulation leading exclusively to activation of Akt2 in an EGFR- and PI3K/p110α-dependent manner. Stimulation of Akt phosphorylation by the loss of PTEN led to an activation of mainly Akt1 forms, which suggests inherent differences in the Akt pools that are accessible to growth factors dependent PI3Ks as compared to the pools that are controlled by PTEN. In summary, this thesis demonstrates the presence of complex phosphorylation events of Akt in a developmental- and signal-dependent manner in neurons.

This master’s thesis deals with methods for detection of myocardial ischemia in the ECG signal. There is explained the principle of spreading of electrical activity through the heart muscle and its manifestations on the ECG. There are also mentioned the causes of myocardial ischemia and various methods of its detection in the ECG signal. In great detail there is explained the process of implementation of the two selected detection methods of myocardial ischemia in MATLAB. These methods are tested on the data from The PTB Diagnostic ECG Database. Finally, there is the presentation of detection results on used data and overall assessment of created algorithms.

Antibodies are Y-shaped proteins. In the human body, antibodies areproduced by plasma cells, mainly T and B cells which are included inthe adaptive immune system. The production of antibodies is stimulatedby antigens. The binding between an antigen-specific antibody and itsantigen can be like the interconnect between a lock and a key.Therefore, antibodies are widely used as diagnostic tools for avariety of diseases but most importantly cancer. Some rapid diagnostictests are completely dependent on the specificity and reactivity ofantibodies such as UBC® Rapid produced by IDL Biotech AB. Therefore,the quality of these antibodies is important. This master thesis at IDL Biotech aimed to validate six anticytokeratinantibodies that are currently used in several rapid cancerdiagnostic tests produced by IDL. Antibody validation is a processwhere specificity, selectivity and reproductivity of an antibody isdemonstrated through specific laboratory investigations. During thisthesis, two laboratory methods were used to validate antibodies,namely, isoelectric focusing electrophoresis and the Attana QuartzCrystal Microbalance based biosensor. Isoelectric focusing electrophoresis (IEF) is a method that determinesproteins pI-values which can then reveal information about posttranslationalmodifications and protein sustainability during storage.IEF revealed changes in pI-values in two antibodies: AB2 and AB4. Attana biosensor analysis on AB1-5 showed that all antibodies havehigh specificity, reactivity and relatively high affinity to theircytokeratin targets. It also revealed that 4 antibodies (AB1 and AB3-5) have lower cross-reactivity with other cytokeratins than theirtarget cytokeratins compared to AB2. Keywords: Antibody validation, Isoelectric focusing, QCM, Attanabiosensor, biosensors, rapid diagnostics, epithelial carcinomas.

Une partie des recherches actuelles dans le domaine de l’analyse chimique concerne la miniaturisation et l’intégration d’étapes analytiques afin de répondre, entre autres, à des besoins de portabilité, d’automatisation mais aussi d’apporter des solutions pour analyser des échantillons de plus en plus petits. Le développement et la mise en œuvre de colonnes monolithiques d’affinité boronate (µBAMC) couplées « in-line » à des techniques séparatives miniaturisées s’inscrit dans cette démarche. Ce travail de thèse s’est focalisé sur (1) une compréhension des mécanismes de rétention en chromatographie d’affinité boronate (interactions spécifiques avec les composés cis-diols, conditions de reconnaissance, interactions secondaires), (2) le développement de supports monolithiques d’affinité boronate miniaturisés et (3) leur couplage «in-line» avec une séparation électrocinétique et détection conventionnelle dans un format capillaire. Différentes voies d’élaboration de colonnes monolithiques ont été comparées (en termes d’affinité, de nombre de sites boronate actifs et de stabilité). La faisabilité du couplage en ligne de ces supports µBAMC avec une étape de séparation électrophorétique (par CZE et CIEF) a été démontrée vis-à-vis de la purification/préconcentration et séparation de 3 catécholamines contenant des groupements cis-diols (Adrénaline, Noradrénaline et Dopamine) dans l’urine. Les couplages ont été optimisés avec succès permettant l’analyse automatisée et miniaturisée de ces neurotransmetteurs dans l’urine (volume échantillon < 10 µL) avec des limites de détection de l’ordre de la dizaine de ppb et des taux de récupération proches de 100 % / Part of the current research in the field of chemical analysis concerns the miniaturization and the integration of analytical steps in order to meet, among other things, the need of portability and automation but also to provide solutions for analyzing small samples. The development and implementation of monolithic boronate affinity columns (µBAMC) in-line coupled to miniaturized separation techniques is part of this approach. This thesis work focused on (1) an understanding of the retention mechanisms in boronate affinity chromatography (specific interactions with cis-diol compounds, recognition conditions and secondary interactions), (2) the development of miniaturized boronate affinity monolithic supports and (3) their in-line coupling with electrokinetic separation and conventional detection in a capillary format. Different ways of elaboration of monolithic columns were compared (in terms of affinity, number of actives sites and stability). The feasibility of in-line coupling of these µBAMC supports with an electrophoretic separation step (by CZE and CIEF) has been demonstrated in terms of purification / preconcentration and separation of 3 catecholamines containing cis-diol groups (adrenaline, noradrenaline and dopamine) in urine. The couplings have been successfully optimized allowing the automated and miniaturized analysis of these neurotransmitters in urine (sample volume <10 µl) with limits of detection of about the tens of ppb and recovery yields close to 100 %

Das Problem des Missbrauchs von Erythropoietin (EPO) als Dopingsubstanz zur Steigerung der Ausdauerleistung wurde schlagartig weltweit durch den Skandal zur Tour de France 1998 bekannt. Das Internationale Olympische Komitee (IOC) führte ab 1992 Erythropoietin explizit auf der Liste der verbotenen Wirkstoffe auf, ohne des es möglich war zwischen den rekombinantem und dem körpereigene Erythropoietin zu unterscheiden. Bei der im Institut für Dopinganalytik und Sportbiochemie Kreischa durchgeführten Arbeit wurden zwei generelle Strategien verfolgt: zum einen ein indirekter Nachweis des rhEPO, basisierend auf dessen Auswirkungen auf die Erythropoese, und zum anderen der direkte Nachweis des Unterschieds zwischen rekombinantem und humanem Erythropoietin. In der ersten durchgeführten Populationsuntersuchung von 229 Leistungssportlern konnte bei der Auswertung der Daten lediglich eine signifikante Erhöhung des löslichen Transferrinrezeptors (sTfR) bei den Ausdauerathleten gefunden werden, während sich die hämatologischen Parameter nicht unterschieden. In der anschließenden Verlaufsuntersuchung von Ausdauerathleten des Deutschen Leichtathletikverbandes wurden zusätzlich zu den bereits in der Populationsstudie untersuchten Parametern erstmalig von Hochleistungs-athleten Retikulozyten und deren Reifeparameter untersucht. Bei den Hochleistungs-sportlern konnten, insbesondere für die Retikulozyten-parameter, über den Zeitraum der Studie konstante Werte gefunden werden. Die Untersuchung der zirkadianen Rhythmik zeigte lediglich für den Parameter Erythropoietin einen signifikante Veränderung mit einem Maximum in den späten Abendstunden (20:00 bis 23:00 Uhr) erreichte. Die Untersuchung der Variation der indirekten Parameter über den Zeitraum eines Jahres zeigte, dass im Gegensatz zu der Verlaufsuntersuchung der DLV-Athleten, bei der der längste Untersuchungs-zeitraum sechs Monate betrug, eine Veränderung aller Parameter, mit Ausnahme von Erythropoietin, bestand. Bei der Auswertung der Belastungsstudien wurde für die gut trainierten Athleten nur ein geringer Einfluss auf die hämatologischen Parameter gefunden, während bei einigen Retikulozytenparametern signifikante Erhöhungen durch die Belastung festgestellt werden konnten. Mit der Etablierung der direkten Nachweismethode für EPO im Urin und der Anpassung der ursprünglichen Methode an das neue Präparat ARANESP, ein modifiziertes EPO, änderte sich die Aufgabenstellung für die indirekten Parameter, da es ab sofort möglich war eine große Anzahl Proben unter Verwendung von niedrigeren Grenzwerten zu screenen. Anhand der Werte der weltbesten Ausdauerathleten wurden allgemein gültige Grenzwerte und eine globale Strategie für ein Screening aufgestellt. Bei einem auffälligen Befund würde in jedem Fall die korrespondierende Urinprobe mittels der direkten Methode untersucht und erst mit dem Nachweis des rekombinanten Erythropoietins als positiv bewertet werden. Zusätzlich zu den indirekten Parametern wurden Untersuchungen hinsichtlich des direkten Nachweis, d. h. der Anreicherung von Erythropoietin und einer massenspektrometrischen Analyse einzelner Glykanketten, durchgeführt, bei denen mit der Kombination Nanospray und TOF-MS die notwendigen Nachweisgrenzen erreicht werden konnten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass ausgewählter Blutparameter sehr gut geeignet sind, um als Screeningmethode für erythropoesesteigernde Substanzen zu dienen. Im Gegensatz zur Methode des direkten Nachweises von EPO im Urin, die durch die Verfügbarkeit der Referenzsubstanzen limitiert ist, bietet der indirekte Nachweis über Blutparameter den Vorteil, Veränderungen des erythropoetischen Systems, verursacht durch neue Substanzen oder Methoden, erfassen zu können.

Diese Arbeit untersucht den Einsatz von keramischen Materialien in der Trinkwasseraufbereitung mittels Filtration und fokussiert dabei die Entfernung von Viren. Herkömmliche, auf Kieselgur basierende Tiefenfilter (Filterkerzen) mit Porengrößen im unteren Mikrometerbereich, werden hinsichtlich ihres Rückhaltevermögens gegenüber Kolloiden (Viren sowie Polystyrolpartikel) untersucht, um deren Einsatzfähigkeit in der Entfernung von Mikroorganismen im Allgemeinen abschätzen zu können. Ferner wird gezeigt, wie durch ein einfaches Verfahren solche Filter modifiziert werden können, um auch kleinste Viren mit ca. 30 nm Durchmessern aus dem Rohwasser zu entfernen. Die Zugabe von MgO während der Granulierungsstufe im Herstellungsprozess der Filterkerzen bewirkt eine erhebliche Verbesserung des Virenrückhalts bis zu über 99.9999%. Die experimentellen Ergebnisse wurden dabei mit theoretischen Modellen verglichen, um Aussagen über die Mechanismen der Virenentfernung treffen zu können.

Protein therapeutics offer numerous advantages over small molecule drugs and are rapidly becoming one of the most prominent classes of therapeutics. Unfortunately, they are delivered almost exclusively by injection due to biological obstacles preventing high bioavailability via the oral route. In this work, numerous approaches to overcoming these barriers are explored. PH-Responsive poly(itaconic acid-co-N-vinylpyrrolidone) (P(IA-co-NVP)) hydrogels were synthesized, and the effects of monomer ratios, crosslinking density, microparticle size, protein size, and loading conditions were systematically evaluated using in vitro tests. P(IA-co-NVP) hydrogels demonstrated up to 69% greater equilibrium swelling at neutral conditions than previously-studied poly(methacrylic acid-co-N-vinylpyrrolidone) hydrogels and a 10-fold improvement in time-sensitive swelling experiments. Furthermore, P(IA-co-NVP) hydrogel microparticles demonstrated up to a 2.7-fold improvement in delivery of salmon calcitonin (sCT) compared to methacrylic acid-based systems, with a formulation comprised of a 1:2 ratio of itaconic acid to N-vinylpyrrolidone demonstrating the greatest delivery capability. Vast improvement in delivery capability was achieved using reduced ionic strength conditions during drug loading. Use of a 1.50 mM PBS buffer during loading yielded an 83-fold improvement in delivery of sCT compared to a standard 150 mM buffer. With this improvement, a daily dose of sCT could be provided using P(IA-co-NVP) microparticles in one standard-sized gel capsule. P(IA-co-NVP) was also tested with larger proteins urokinase and Rituxan. Crosslinking density provided a facile method for tuning hydrogels to accommodate a wide range of protein sizes. The effects of protein PEGylation were also explored. PEGylated sCT displayed lower release from P(IA-co-NVP) microparticles, but displayed increased apparent permeability across a Caco-2 monolayer by two orders of magnitude. Therefore, PEG-containing systems could yield high bioavailability of orally delivered proteins. Finally, a modified SELEX protocol for cellular selection of transcellular transport-initiating aptamers was developed and used to identify aptamer sequences showing enhanced intestinal perfusion. Over three selection cycles, the selected aptamer library showed significant increases in absorption, and from an initial library of 1.1 trillion sequences, 5-10 sequences were selected that demonstrated up to 10-fold amplification compared to the naïve library. These sequences could provide a means of overcoming the significant final barrier of intestinal absorption. / text

The aim of the diploma thesis is to characterize the adsorption properties of probiotic bacteria. Characterization was performed using of designed and optimized spectrophotometric method of determination of adhesion of probiotic bacteria to mucin as the main viscoelastic component of mucus. In order to provide a more detailed description of the adhesion interactions involved in the adhesion of probiotic bacteria to mucin, the viability of selected probiotic bacterial strains Lactobacillus rhamnosus CCM 1825, Lactobacillus plantarum CCM 7039, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus CCM 7190, Lactobacillus acidophilus CCM 4833, Lactobacillus casei CCM 4798, Bifidobacterium breve CCM 7825, Bacillus coagulans CCM 2658 and a potential probiotic strain of Lactobacillus zeae CCM 7069. Moreover, bacterial adhesion to carbohydrates was also determined for all the bacteria tested. The last proposed and optimized technique was dynamic and electrophoretic light scattering characterizing surface properties such as -potential, average size distribution and isoelectric point. From this method, information was obtained on aggregation of bacterial cells and on electrostatic interactions. The combination of these methods was used as a complex tool to characterize adhesion of the tested bacterial cultures as a very specific, sensitive and key parameter of a successful probiotic microorganism that is influence by the multiple effects.

Diese Arbeit untersucht den Einsatz von keramischen Materialien in der Trinkwasseraufbereitung mittels Filtration und fokussiert dabei die Entfernung von Viren. Herkömmliche, auf Kieselgur basierende Tiefenfilter (Filterkerzen) mit Porengrößen im unteren Mikrometerbereich, werden hinsichtlich ihres Rückhaltevermögens gegenüber Kolloiden (Viren sowie Polystyrolpartikel) untersucht, um deren Einsatzfähigkeit in der Entfernung von Mikroorganismen im Allgemeinen abschätzen zu können. Ferner wird gezeigt, wie durch ein einfaches Verfahren solche Filter modifiziert werden können, um auch kleinste Viren mit ca. 30 nm Durchmessern aus dem Rohwasser zu entfernen. Die Zugabe von MgO während der Granulierungsstufe im Herstellungsprozess der Filterkerzen bewirkt eine erhebliche Verbesserung des Virenrückhalts bis zu über 99.9999%. Die experimentellen Ergebnisse wurden dabei mit theoretischen Modellen verglichen, um Aussagen über die Mechanismen der Virenentfernung treffen zu können.:Contents Chapter I Introduction 1 Chapter II Removal or inactivation of microorganisms, in particular viruses, for drinking water purposes with focus on small-scale, decentralised systems: A literature review 7 II. I Physical and chemical treatments 8 II. II Filtration processes 10 II. III Conclusions 15 Chapter III Mechanisms of adsorption in depth filtration 17 III.I Surface charge and the electrical double layer 18 III.II van der Waals interactions 22 III.III DLVO theory 23 III.IV Non-DLVO forces 25 III.V Extended DLVO Theory 27 Chapter IV Virus adsorption studies 29 IV.I A literature review 30 IV.I.I Virus concentration by adsorption-elution 33 IV.I.II Improved virus adsorption in filtration 35 IV.II The electrostatic enhanced adsorption approach 37 Chapter V Viruses 39 V.I Literature review 40 V.I.I Structure and morphology 40 V.I.II The viral life cycle 41 V.I.III Human pathogenic viruses in the aquatic environment 42 V.II Experimental 46 V.II.I The choice of viruses for adsorption studies 46 V.II.II Propagation and enumeration of the bacteriophages 48 V.II.III Characterisation of bacteriophages 51 V.III Results and discussion 54 V.III.I Production of high-titre and high-purity phage stocks 54 V.III.II Characteristics of bacteriophages 59 V.III.III Detection of a viral contaminant - the ‘Siphophage’ 64 Chapter VI The diatomaceous earth-based depth filter 69 VI.I Literature review 70 VI.I.I Diatomaceous earth 70 VI.I.II Retention of microorganisms in the DE-based depth filter 71 VI.II Experimental 73 VI.II.I Manufacturing the depth filter 73 VI.II.II Physical characterisation 74 VI.II.III Performing filter retention tests 75 VI.II.IV Latex retention test 76 VI.II.V Studying adsorption kinetics in a batch experiment 79 VI.II.VI Applying (X-)DLVO theory 80 VI.III Results and discussion 83 VI.III.I Characterisation of the depth filter 83 VI.III.II Latex removal in the depth filter 86 VI.III.III Filter performance on virus removal 94 VI.III.IV Batch-sorption experiments 99 VI.IV Summary and conclusions 102 Chapter VII The magnesium oxide modified depth filter 103 VII.I Experimental 104 VII.I.I Choice of the adsorbent material 104 VII.I.II Manufacturing the MgO-modified filter and characterisation methods 105 VII.II Results and discussion 106 VII.II.I The adsorbent: Magnesium oxide powder 106 VII.II.II Physical characterisation of modified depth filters 108 VII.II.III Virus removal in depth filters containing MgO 113 VII.II.IV Ageing behaviour of MgO modified filters 118 VII.II.V Discussion on the removal mechanisms 130 VII.III Summary and conclusions 134 Chapter VIII Summary, conclusions and outlook 135 VIII.I Summary and conclusions 136 VIII.II Outlook 137 Abbreviations, symbols and physical constants 139 Reference list 142