TY  - THES
A1  - El-Saadany, Mohamed Abdel Meged Marawan
T1  - Protective effect of dietary antioxidants and plant extracts on acute inflammation and hepatotoxicity in vitro
T1  - Protektiver Effekt von Pflanzenextrakten und ernährungsrelevanten Antioxidantien auf akute Entzündung und Hepatotoxizität in vitro
N2  - Dietary antioxidants are believed to play an important role in the prevention and treatment of a variety of diseases associated with oxidative stress. Although there is a wide range of dietary antioxidants, the bulk of the research to date has been focused on the nutrient antioxidants vitamin C, E, and carotenoids. Certain relatively uncommon antioxidants such as lipoic acid (LA), and phenolic compounds such as (-)-epicatechin (EC), (-)-epigallocatechin (EGC), (-)-epicatechin gallate (ECG), and (-)-epigallocatechin gallate (EGCG), have not been extensively investigated although they may exert greater antioxidant potency than that of carotenoids and vitamins. Extracts from selected plants and plant byproducts may represent rich sources for one or more of such antioxidants and therefore exhibit higher effects than a single antioxidant due to the synergistic effects produced between such antioxidants. However, in the last decade a number of epidemiological, animal and in vitro studies have suggested a protective and therapeutic potency of these antioxidants in a broad range of diseases such as cancer, diabetes, atherosclerosis, cataract and acute and chronic neurological disorders. Inflammation, the response of the host toward any infection or injury, plays a central role in the development of many chronic diseases. Several evidences demonstrated the rise of different types of cancer from sites of inflammation. This suggests that active oxygen species and some cytokines generated in the inflamed tissues can cause injury to DNA and ultimately lead to carcinogenesis. Diethylnitrosamine (DEN) is one of the most important environmental carcinogens, present in a variety of foods, alcoholic beverages, tobacco smoke and it can be synthesized endogenously. In addition to the liver it can induce carcinogenesis in other organs like kidney, trachea, lung, esophagus, fore stomach, and nasal cavity. Several epidemiological and laboratory studies indicate that nitroso compounds including DEN may induce hyperplasia and chronic inflammation which is closely associated with the development of hepatocellular carcinoma. Despite increasing evidence on the potential of antioxidants in modulating the etiology of chronic diseases, little is known about their role in inflammation and acute phase response (APR). Therefore the aim of the present work was to study the protective effect of water and solvent extracts of eight plant and plant byproducts including green tea, artichoke, spinach, broccoli, onion and eggplant, orange and potato peels as well as eight antioxidants agents including EC, EGC, ECG, EGCG, ascorbic acid (AA), acetylcysteine (NAC), α-LA, and alpha-tocopherol (α-TOC) toward acute inflammation induced by interleukin-6 (IL-6) and hepatotoxicity induced by DEN in vitro. The negative acute phase proteins (APP), transthyretin (TTR) and retinol-binding protein (RBP) were used as inflammatory biomarkers analyzed by ELISA, whereas neutral red assay was used for evaluating the cytotoxicity. All experiments were performed in vitro using human hepatocarcinoma cell line (HepG2). Additionally the antioxidant activity was measured by TEAC and FRAP assays, phenolic content was measured by Folin–Ciocalteu and characterized by HPLC. Moreover, the microheterogeneity of TTR was detected using immunoprecipitation assay combined with SELDI-TOF MS. Results of present study showed that HepG2 cells provide a simple, sensitive in vitro system for studying the regulation of the negative APP, TTR and RBP under free and inflammatory condition. IL-6, a potent proinflammatory cytokine, in a concentration of 25 ng/ml was able to reduce TTR and RBP secretion by approximately 50-60% after 24h of incubation. With exception of broccoli and water extract of onion which showed pro-inflammatory effects in this study, all other plant extracts, at specific concentrations, were able to elevate TTR secretion in normal condition and even under treatment of IL-6 where the effect was quite lower. Green tea followed by artichoke and potato peel exhibited the highest elevation in TTR concentration which reached 1.1 and 2.5 folds of control in presence and absences of IL-6 respectively. In general Plant extracts were ordered according their anti-inflammatory potency as following: in water extracts; green tea > artichoke > potato peel > orange peel > spinach > eggplant peel, where in solvent extracts; green tea > artichoke > potato peel > spinach > eggplant peel > onion > orange peel. The antiinflammatory effect of water extracts of green tea, artichoke and orange peel were significantly higher than their corresponding solvent extracts whereas water extracts of eggplant-, potato peels and spinach showed lower effect than their solvent extracts. On the other hand α-LA followed by EGCG and ECG exhibited the highest elevation in TTR concentration compared to other antioxidants. The relation between the anti-inflammatory potential and antioxidants activity and phenolic content for the investigated substances was generally weak. This may suggest the involvement of other mechanisms than antioxidants properties for the observed effect. TTR secreted by HepG2 cells has a molecular structure quite similar to the purified standard and serum TTR in which all the three main variants are contained including native, S-cystinylated and Sglutathionylated TTR. Interestingly, a variant with molecular mass of 13453.8 + 8.3 Da has been detected only in TTR secreted by HepG2. Among all investigated antioxidants and plant extracts, six substances were able to elevate the native preferable TTR variant. The potency of these substances can be ordered as following α-LA > NAC > onion > AA > EGCG > green tea. A weak correlation between elevation on TTR and shifting to the native form was observed. Similar weak correlation has also been observed between antioxidants activity and elevation in native TTR. Although DEN was able to induce cell death in a concentration dependent manner, it requires considerably higher concentrations for its effects especially after 24h. This may be attributed to a lack in cytochrome P450 enzymes produced by HepG2. At selected concentrations some antioxidants and plant extracts significantly attenuate DEN cytotoxicity as following: spinach > α-LA > artichoke > orange peel > eggplant peel > α-TOC > onion > AA. Contrary all other substances especially green tea, broccoli, potato peel, and ECG stimulate DEN toxicity. In conclusion, this study demonstrated that selected antioxidants and plant extracts may attenuate the inflammatory process, not only by their antioxidants potency but also by other mechanisms which remain unclear. They may also play a vital role on stabilizing the tetramic structure of TTR and thereby prevent amyloidosis diseases. Lipoic acid represents in this study unique function against inflammation and hepatotoxicity. Despite the protective effect demonstrated by investigated substances, attention should also be given to the pro-oxidant and potential cytotoxic effects produced at higher concentrations.
N2  - Substanzen und Lebensmittelinhaltstoffe mit antioxidativer Wirkung spielen eine entscheidende Rolle in Prävention und Behandlung zahlreicher Erkrankungen, die mit oxidativen Stress assoziiert sind. Dabei stehen v. a. die Lebensmittelinhaltsstoffen Vitamin C (Ascorbinsäure, AA), Vitamin E und die Carotinoide im Zentrum der Forschung. Da einige bislang relativ ungebräuchliche Antioxidantien wie Liponsäure (LA) und phenolische Substanzen wie (-)-Epicatechin (EC), (-)-Epigallocatechin(EGC), (-)-Epicatechingallat (ECG), und (-)-Epigallocatechingallat (EGCG) ein größeres antioxidatives Potential als Carotinoide und die Vitamine C und E aufweisen, geraten diese in zunehmendem Maße in den Fokus der Forschung und wecken auch immer mehr das Interesse gesundheitsbewusster Verbraucher. Einige ausgewählte Pflanzenextrakte und Extrake pflanzlicher Nebenprodukte stellen ergiebige Quellen der oben erwähnten Substanzen dar und zeichnen sich daher durch eine höhere Wirksamkeit aus, die teilweise auch auf synergetische Effekte zwischen diesen Antioxidantien zurückzuführen ist. Eine Vielzahl epidemiologischer Studien sowie zahlreiche Tier- und in-vitro-Experimente deuten daher darauf hin, daß die oben erwähnten Antioxidantien bei einer Vielzahl von Erkrankugen, wie Krebs, Diabetes, Arteriosklerose, Katarakt, akute bzw. chronische neurologische Störungen, ein schützendes und therapeutisches Potential entfalten. Entzündungen, als Antwort eines Individuums auf Infektion oder Verletzungen, spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung vieler chronischer Erkrankungen. So konnten mehrere Studien den Zusammenhang zwischen der Entstehung verschiedener Krebsarten und zugrundeliegender Infektionen belegen. Dies deutet darauf hin, dass reaktive Sauerstoffspezies und einige Zytokinen, die im entzündeten Geweben generiert werden und DNA-Schäden verursachen können, letztendlich auch eine Karzinogenese auslösen können. Diethylnitrosamin (DEN) ist eines der bekanntesten Umweltkarzinogene, daß neben Hepatokarzinomen auch Krebs in Nieren, Trachea, Lunge, Speiseröhre, Magen und Nasenhöhle hervorrufen kann und in vielen Lebensmitteln, alkoholischen Getränke sowie Tabakrauch enthalten ist und darüber hinaus endogen synthetisiert wird. Dabei geht man auf Grundlage mehrere epidemiologischer und Forschungsstudien davon aus, dass durch Nitroso-Verbindungen, u.a. auch DEN, induzierte Hyperplasien und chronische Entzündungen die Entwicklung hepatozellulärer Karzinome begünstigt. Trotz zunehmender Beweise bezüglich des Potentials von Antioxidantien die Ätiologie chronischer Erkrankungen zu modulieren, ist bislang nur sehr wenig über ihre Rolle im Entzündungsprozess und der Akutphasereaktion (APR) bekannt. Deshalb war das Ziel der vorliegenden Arbeit die schützende Wirkung von Extrakten verschiedener Pflanzen und Pflanzennebenprodukten sowie isolierten Antikoxidantien bei akuten Entzündungssituationen zu testen. Dazu wurden wässrige und Lösungsmittelextratke aus acht Pflanzen bzw. deren Nebenprodukten (Grüntee, Artischocke, Spinat, Brokkoli, Zwiebel, Aubergine-, Orangen- und Kartoffelschalen) hergestellt und ihre Wirkung sowie die acht weiterer reiner Antioxidantien (EC, EGC, ECG, EGCG, Ascorbinsäure (AA), Acetylcystein (NAC), LA, und Tocopherol (TOC) in in-vitro-Modellen der akuten Entzündung, induziert durch interleukin-6 (IL-6), bzw. der Hepatoxizität, induziert durch DEN, getestet.. Transthyretin (TTR) und Retinol-Bindungsprotein (RBP), zwei negative Akutphasenproteine (APP) wurden als Entzündungsbiomarker (Analyse per ELISA) und Neutral-Red-Assay als ein Maß für die Cytotoxizität herangezogen. Alle Experimente wurden in-vitro in einer immortalisierten humanen Hepatokarzinom-Zelllinie (HepG2) durchgeführt. Die antioxidativen Kapazität wurde mittels TEAC und FRAP-Methoden evaluiert und der Gesamtphenolgehalt durch die Folin–Ciocalteu-Methode erfasst, wobei die qualitative Charakterisierung über die HPLC erfolgte. Die Mikroheterogenität des TTR wurde durch Immunopräzipitation in Kombination mit SELDI-TOF-MS Technik analysiert. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass HepG2-Zellen ein einfaches und empfindliches in-vitro System zur Regulierung von negativen Akutphasenproteinen, TTR und RBP, unter physiologischen und infllammatorischen Bedingungen darstellen. IL-6, ein potentes Pro-Entzündungszytokine, war bei einer 24stündigen Inkubation mit einer Konzentration von 25 ng/ ml in der Lage die Sekretion von TTR und RBP um ca. 50-60% zu reduzieren. Mit Ausnahme von Broccoli und Wasser Extrakt der Zwiebel, die zeigten, proinflammatorischen Effekt Wirkungen in dieser Studie, die alle anderen Pflanzenextrakten, in bestimmten Konzentrationen, waren in der Lage zu erheben TTR Sekretion im normalen, aber auch bei der Behandlung von IL-6 bei denen die Wirkung war niedriger. Grüntee, gefolgt von Artischocken und Kartoffelschälen zeigte die höchste Erhebung in der TTRKonzentration, die erreicht, 1,1 und 2,5 Falten der Kontrolle in Behandlung und ohne Behandlung von IL-6 bzw. Die wässrigen Pflanzenextrakte lassen sich in der folgenden Reihenfolge des anti-Entzündungspotentials einordnen: Grüntee > Artischocke > Kartoffelschalen > Orangenschalen > Spinat > Aubergineschalen, wogegen bei Lösungsmittelextrakte folgende Reihenfolge ermittelt wurde: Grüntee > Artischocke > Kartoffelnschalen > Spinat > Aubergineschalen > Zwiebel > Orangenschalen. Die schützende Wirkung der wässrigen Extrakte von Grüntee, Artischocke und Orangenschalen war signifikant höher als die der entsprechenden Lösungsmittelextrakte. Wohingegen wässrige Extrakte aus Aubergineschalen, Kartoffelschalen, Spinat und Zwiebel weniger effektiv waren. Auf der anderen Seite, LA gefolgt von EGCG und ECG zeigte die höchste Erhebung in der TTRKonzentration im Vergleich zu anderen Antioxidantien. Somit konnte ein schwacher aber Zusammenhang zwischen antinflammatorischem Potential, antioxidativer Aktivität und Phenolgehalt nachgewiesen werden. Daher ist anzunehmen, dass den beobachteten Effekten anderen Mechanismen zu Grunde liegen. Das durch HepG2-Zellen sezernierte TTR erwies eine molekulare Struktur ähnlich der des verwendeten Standards bzw. des TTR aus humanem Serum auf. Es enthielt alle drei Hauptvarianten, einschließlich der nativen, S-cystinylierten und S-glutathionylierten TTR-Formen. Darüber hinaus wurde nur im in-vitro sezerniertem TTR (TTR aus HepG2-Zellen) eine Variante mit einer molekularen Masse von 13453.8 + 8.3 Da nachgewiesen. Von den untersuchten Substanzen wiesen nur sechs Verbindungen die Fähigkeit auf den Anteil der günstigen nativen TTR-Form zu erhöhen aus. Dabei konnte folgende Wirksamkeitsreihenfolge zugeordnet werden : LA > NAC > Zwiebel > AA > EGCG > Grüntee. Eine schwache Korrelation zwischen der Erhöhung der TTRKonzentration und der Verschiebung zu der nativen Form hin wurde festgestellt. Ein ähnlicher Zusammenhang zwischen der antioxidativen Aktivität und dieser Erhöhung wurde auch beobachtet. Obwohl DEN in der Lage war konzentrationsabhängig den Zelltod zu induzieren, war eine wesentlich höhere Konzentration notwendig, um die volle Wirksamkeit während 24stündiger Inkubation zu gewährleisten. Dies mag auf die mangelnde Ausstattung mit Cytochrom-P450-Enzymen, die in den HepG2 Zellen produziert werden, zurück zu führen sein. Ausgewählte Konzentrationen einiger eingesetzter Substanzen führten zu einer signifikanten Schwächung der DEN-induzierten Zytotoxizität mit folgender Wirksamkeit: Spinat > LA > Artischocke > Orangen- > Aubergineschalen > TOC > Zwiebel > AA. Im Gegensatz dazu, stimulierten alle anderen Substanzen, insbesondere Grüntee, Brokkoli, Kartoffelschalen und ECG, die DEN –induzierten Toxizität. Diese Arbeit zeigt somit, dass ausgewählte Antioxidantien und Pflanzenextrakten in der Lage sind, den antinflammatorischen Prozess sowohl durch ihre antioxidative Wirkung als auch durch bislang nicht aufgeklärten Mechanismen grundlegend zu beeinflussen. Sie könnten daher eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung von Proteinstrukturen übernehmen (gezeigt am Beispiel vom TTR) und in diesem Zusammenhang möglicherweise auch zur Prävention von Krankheiten wie Amyloidosen beitragen. Liponsäure überzeugte in dieser Arbeit durch seine einzigartigen Funktion gegenüber Entzündungssituationen und Hepatoxizität. Wie oft beobachtet und durch diese Studie bestätigt, weisen die verwendeten Subsatzen neben der schützenden anti- auch pro-oxidativen Wirkungen auf, wodurch die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen zur Erfassung der Zytotoxizität beim Einsatz höherer Konzentration verdeutlicht wird.
KW  - HepG2
KW  - diätetische Antioxidantien
KW  - Phenole
KW  - akute Entzündung
KW  - Hepatotoxizität
KW  - HepG2
KW  - dietary antioxidants
KW  - phenols
KW  - acute inflammation
KW  - hepatotoxicity
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31585
ER  - 
TY  - THES
A1  - Francke, Till
T1  - Measurement and modelling of water and sediment fluxes in meso-scale dryland catchments
T1  - Messung und Modellierung von Wasser- und Sedimentflüssen in mesoskaligen Trockeneinzugsgebieten
N2  - Water shortage is a serious threat for many societies worldwide. In drylands, water management measures like the construction of reservoirs are affected by eroded sediments transported in the rivers. Thus, the capability of assessing water and sediment fluxes at the river basin scale is of vital importance to support management decisions and policy making. This subject was addressed by the DFG-funded SESAM-project (Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling). As a part of this project, this thesis focuses on (1) the development and implementation of an erosion module for a meso-scale catchment model, (2) the development of upscaling and generalization methods for the parameterization of such model, (3) the execution of measurements to obtain data required for the modelling and (4) the application of the model to different study areas and its evaluation. The research was carried out in two meso-scale dryland catchments in NE-Spain: Ribera Salada (200 km²) and Isábena (450 km²). Adressing objective 1, WASA-SED, a spatially semi-distributed model for water and sediment transport at the meso-scale was developed. The model simulates runoff and erosion processes at the hillslope scale, transport processes of suspended and bedload fluxes in the river reaches, and retention and remobilisation processes of sediments in reservoirs. This thesis introduces the model concept, presents current model applications and discusses its capabilities and limitations. Modelling at larger scales faces the dilemma of describing relevant processes while maintaining a manageable demand for input data and computation time. WASA-SED addresses this challenge by employing an innovative catena-based upscaling approach: the landscape is represented by characteristic toposequences. For deriving these toposequences with regard to multiple attributes (eg. topography, soils, vegetation) the LUMP-algorithm (Landscape Unit Mapping Program) was developed and related to objective 2. It incorporates an algorithm to retrieve representative catenas and their attributes, based on a Digital Elevation Model and supplemental spatial data. These catenas are classified to provide the discretization for the WASA-SED model. For objective 3, water and sediment fluxes were monitored at the catchment outlet of the Isábena and some of its sub-catchments. For sediment yield estimation, the intermittent measurements of suspended sediment concentration (SSC) had to be interpolated. This thesis presents a comparison of traditional sediment rating curves (SRCs), generalized linear models (GLMs) and non-parametric regression using Random Forests (RF) and Quantile Regression Forests (QRF). The observed SSCs are highly variable and range over six orders of magnitude. For these data, traditional SRCs performed poorly, as did GLMs, despite including other relevant process variables (e.g. rainfall intensities, discharge characteristics). RF and QRF proved to be very robust and performed favourably for reproducing sediment dynamics. QRF additionally excels in providing estimates on the accuracy of the predictions. Subsequent analysis showed that most of the sediment was exported during intense storms of late summer. Later floods yielded successively less sediment. Comparing sediment generation to yield at the outlet suggested considerable storage effects within the river channel. Addressing objective 4, the WASA-SED model was parameterized for the two study areas in NE Spain and applied with different foci. For Ribera Salada, the uncalibrated model yielded reasonable results for runoff and sediment. It provided quantitative measures of the change in runoff and sediment yield for different land-uses. Additional land management scenarios were presented and compared to impacts caused by climate change projections. In contrast, the application for the Isábena focussed on exploring the full potential of the model's predictive capabilities. The calibrated model achieved an acceptable performance for the validation period in terms of water and sediment fluxes. The inadequate representation of the lower sub-catchments inflicted considerable reductions on model performance, while results for the headwater catchments showed good agreement despite stark contrasts in sediment yield. In summary, the application of WASA-SED to three catchments proved the model framework to be a practicable multi-scale approach. It successfully links the hillslope to the catchment scale and integrates the three components hillslope, river and reservoir in one model. Thus, it provides a feasible approach for tackling issues of water and sediment yield at the meso-scale. The crucial role of processes like transmission losses and sediment storage in the river has been identified. Further advances can be expected when the representation of connectivity of water and sediment fluxes (intra-hillslope, hillslope-river, intra-river) is refined and input data improves.
N2  - In vielen Regionen der Erde stellt Wassermangel ein Problem für die menschliche Gesellschaft dar. Insbesondere in Trockengebieten werden jedoch Maßnahmen des Wassermanagements, wie die Wasserspeicherung in Stauseen, durch die im Fluss transportierten Sedimentfrachten negativ beeinflusst. Somit stellen eine adäquate Beurteilung von Wasser- und Sedimentflüssen eine wichtige Voraussetzung für Entscheidungen in Wassermanagement und -planung dar. Dieser Problematik widmete sich das SESAM-Projekt (Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling). Im Rahmen dieses Projektes befasste sich diese Dissertation mit (1) der Entwicklung und Umsetzung eines Erosions-Moduls für ein Einzugsgebietsmodell auf der Meso-Skala, (2) der Entwicklung von Skalierungs- und Generalisierungsmethoden für die Parametrisierung eines solchen Modells, (3) der Durchführung von Messungen, um die notwendigen Daten für das Modell zu gewinnen und (4) die Anwendung des Modells für verschiedene Einzugsgebiete und seiner Bewertung. Die Studie umfasste zwei mesoskalige Trockeneinzugsgebiete in NO-Spanien: Ribera Salada (200 km²) und Isábena (450 km²). Im Hinblick auf Zielstellung 1 wurde WASA-SED, ein räumlich semi-distribuiertes Modell für Wasserflüsse und Sedimenttransport, entwickelt. Das Modell simuliert Abfluss- und Erosionsprozesse auf der Hangskala, den Transport von suspendierten und Geschiebesedimenten auf der Skala von Flussabschnitten sowie Rückhalt- und Remobilisierungsprozesse von Sedimenten in Stauseen. Die vorliegende Arbeit stellt das Modellkonzept und Modellanwendungen vor und beschreibt Fähigkeiten und Grenzen des Modells. Die Modellierung auf größeren Skalen beinhaltet das Dilemma, dass relevante Prozesse beschrieben werden müssen, gleichzeitig aber die Anforderungen an Eingabedaten und Rechenzeit realisierbar bleiben. In WASA-SED wird diesem durch die Anwendung eines innovativen Hangprofil-basierten Skalierungsansatzes Rechnung getragen, indem die Landschaft durch charakteristische Toposequenzen repräsentiert wird. Um derartige Toposequenzen hinsichtlich verschiedener Landschaftseigenschaften (z.B. Relief, Böden, Vegetation) abzuleiten, wurde in Bezug zur Zielstellung 2 der LUMP-Algorithmus (Landscape Unit Mapping Program) entwickelt. LUMP beinhaltet ein Verfahren zur Berechnung repräsentativer Hangprofile und ihrer Attribute aus einem digitalen Geländemodell und optionalen Zusatzdaten. Durch die Klassifikation dieser Hangprofile wird die Grundlage der räumlichen Diskretisierung des WASA-SED Modells bereitgestellt. Im Zusammenhang mit Zielstellung 3 wurden Abfluss und Sedimentkonzentration (SSC) am Auslass und in einigen Teileinzugsgebieten des Isábena-Einzugsgebietes gemessen. Um den Sedimentaustrag zu bestimmen, mussten die Einzelmessung der Sedimentkonzentration interpoliert werden. Diese Arbeit vergleicht die Eignung traditioneller Eichkurvenansätze (SRCs), Generalized Linear Models (GLMs) und der nichtparametrischen Regressionstechniken Random Forests (RF) und Quantile Regression Forests (QRF). Da die beobachteten SSC-Werte stark über sechs Größenordnungen variieren, erwiesen sich die traditionellen SRCs als unzureichend. Gleichfalls versagten GLMs trotz der Einbeziehung weiterer relevanter Prozessgrößen wie Niederschlagsintensitäten und Abflusscharakteristika. RF und QRF stellten sich hingegen als sehr robust und für die Rekonstruktion der Sedimentdynamik geeignet dar. QRF liefert darüber hinaus auch Informationen zur Genauigkeit dieser Schätzungen. Die darauf aufbauende Analyse ergab, dass der Großteil der Sedimentfracht während der Starkregenereignisse des Spätsommers transportiert wurde. Spätere Niederschlagsereignisse erzeugten deutlich geringeren Austrag. Durch den Vergleich von Sedimentfrachten im Oberlauf mit Austragsmengen am Gebietsauslass konnte die Bedeutung der Sedimentspeicherung im Flussbett identifiziert werden. Zielstellung 4 wurde bearbeitet, indem das WASA-SED-Modell für zwei Untersuchungsgebiete in NO-Spanien unter unterschiedlichen Gesichtspunkten angewendet wurde. Für das Ribera-Salada-Einzugsgebiet lieferte das unkalibrierte Modell plausible Ergebnisse hinsichtlich der Wasser- und Sedimentflüsse. Damit war es möglich, die potentiellen Änderungen dieser Größen durch verschiedene Landnutzungsszenarien zu quantifizieren. Diese wurden den prognostizierten Veränderungen, die durch Klimaänderungen hervorgerufen würden, gegenübergestellt. Im Gegensatz dazu konzentrierte sich die Anwendung im Isábena-Einzugsgebiet auf die Untersuchung der bestmöglichen Modellanpassung. Im Validierungszeitraum ergab sich eine befriedigende Modellgüte für Wasser- und Sedimentflüsse. Diese Gesamtgüte wurde maßgeblich durch die unzureichende Abbildung der Unterliegergebiete beeinflusst, wohingegen die Gebiete des Oberlaufs, trotz ihrer stark kontrastierenden Sedimentausträge, gut dargestellt wurden. Die Anwendung des WASA-SED-Modells auf drei verschiedene Untersuchungsgebiete bestätigt die generelle Eignung des Modellkonzepts als einen sinnvollen multiskaligen Ansatz, der in einem Modell effektiv die Hangskala mit der Einzugsgebietsskala sowie den Einfluss von Flüssen und Stauseen vereint. Er stellt somit eine mögliche Grundlage für die Bearbeitung von wasser- und sedimentbezogenen Fragestellungen auf der Meso-Skala dar. Die besondere Bedeutung der Prozesse der Sickerverluste und Sedimentspeicherung im Gerinne konnten herausgearbeitet werden. Mögliche Verbesserungen betreffen die Berücksichtigung der Konnektivität von Wasser- und Sedimentflüssen (auf dem Hang, zwischen Hang und Fluss, innerhalb des Flusses) und die Qualität der Eingangsdaten für das Modell.
KW  - Erosion
KW  - Sediment
KW  - Modellierung
KW  - Spanien
KW  - Brasilien
KW  - erosion
KW  - sediment
KW  - modelling
KW  - Spain
KW  - Brazil
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31525
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TY  - THES
A1  - Küster, Katrin
T1  - Die funktionelle Bedeutung des Coxsackie- und Adenovirus Rezeptors (CAR) im kolorektalen Karzinom
T1  - Functional role of the Coxsackie and Adenovirus Receptor (CAR) in colorectal carcinomas
N2  - Der Coxsackie- und Adenovirus Rezeptor (CAR) ist als Bestandteil von Tight Junctions (TJ) an interzellulären Adhäsionsprozessen beteiligt und scheint eine wichtige Rolle in der Karzinogenese zu spielen. Diese ist jedoch insbesondere bei Entstehung von Darmkrebs weitgehend unklar. Ziel der Arbeit war es daher, die funktionelle Bedeutung, mögliche Interaktionspartner sowie die Expressionsregulation von CAR im kolorektalen Karzinom zu analysieren. In den Zelllinien CaCo2, Colo205, DLD1, HCT116, HT29, SW480 und T84 konnte die Expression von CAR (mRNA und Protein) nachgewiesen werden. Nach stabiler CAR-Überexpression durch Transfektion von CARcDNA in DLD1, HCT116 und SW480 wurde das Zellwachstum gehemmt und eine Abnahme von Migration und Invasion induziert. Eine stabile CAR-Inhibition nach Transfektion von CARsiRNA führte in diesen Zelllinien zum Anstieg der Proliferation sowie zu verstärkter Migrations- und Invasionsaktivität, die in DLD1 mit morphologischen Änderungen einhergingen. Eine Genexpressionsanalyse der Zelllinie DLD1 mit CAR-Inhibition identifizierte α-Catenin als das am stärksten regulierte Gen. Obwohl keine direkte Interaktion beider Proteine detektiert werden konnte, führte eine stabile Re-Expression von α-Catenin in DLD1 mit stabiler CAR-Inhibition zu einer deutlichen Reduktion von Proliferation, Migration und Invasion sowie zu einem Rückgang der zellmorphologischen Änderungen. Um den Einfluss von Differenzierung auf die Regulation der CAR-Expression zu untersuchen, erfolgte eine Behandlung aller Zelllinien mit Natriumbutyrat. Dies führte in fünf der sieben Zelllinien zu einer Aktivierung des CAR-Promotors sowie zu einer gesteigerten Expression und Immunoreaktivität von CAR an der Zelloberfläche. Die Zelllinie CaCo2 zeigte nach spontaner Differenzierung durch 21-tägiges Wachstum post Konfluenz ebenfalls eine verstärkte CAR-mRNA-Expression sowie eine erhöhte CAR-Präsenz an der Zelloberfläche. Die gewonnenen Daten konnten die funktionelle Bedeutung von CAR für die Kolonkarzinogenese sowie den Einfluss von α-Catenin auf diese Funktion deutlich machen. Es wurde gezeigt, dass die Expressionsregulation sowie die subzelluläre Verteilung von CAR durch den zellulären Differenzierungsstatus beeinflusst werden kann.
N2  - The Coxsackie and Adenovirus Receptor (CAR) is a transmembrane compound of the tight junctions in polarized epithelial cells mediating cellular adhesion. CAR was suggested to play a functional role in the development of epithelial malignomas but detailed knowledge is still lacking, especially for the colorectal carcinoma. Therefore, the functional impact and regulation of CAR expression in human colorectal carcinoma cell models were investigated. CAR protein and mRNA was detectable in the cell lines CaCo2, Colo205, DLD1, HCT116, HT29, SW480 and T84. Stable CAR over expression by transfection of CARcDNA in DLD1, HCT116 and SW480 led to reduced proliferation in vitro and in vivo. Also reduced migration and invasion were observed. Stable CAR inhibition by transfection of CARsiRNA in the same cell lines resulted in increased migration and invasion. In DLD1 morphological changes were found after CAR inhibition. Differential gene expression was detected in DLD1 cells with stable CAR inhibition revealing an 18-fold decrease in α-Catenin gene expression. Loss of α-Catenin was obtained on protein level, too. Although no direct interaction between CAR and α-Catenin could be proven ectopic re-expression of α-Catenin in DLD1 with CAR inhibition reversed the determined functional and morphological effects of a CAR knock down. Then, the impact of differentiation on regulation of CAR expression was investigated. Sodium butyrate treatment induced differentiation in all cell lines (determined by alkaline phosphatase activity), which was paralleled by an increase of CAR immunoreactivity at the plasma membrane in all cell lines but CaCo2. However, CAR protein and mRNA expression, as well as CAR gene promoter activity increased in 5 cell lines only, whereas in SW480 and CaCo2 a down regulation was observed. Spontaneous differentiation of CaCo2 after a growth period of 21 days post confluence resulted in up regulation of CAR mRNA expression as well as increased CAR presence at the plasma membrane. The data suggest that CAR plays a crucial role in the carcinogenesis of colorectal carcinoma which could be influenced by α-Catenin interaction. Differentiation determines the regulation of CAR expression and the subcellular distribution of CAR in colon cancer cells.
KW  - Coxsackie- und Adenovirus Rezeptor
KW  - kolorektales Karzinom
KW  - Tight Junctions
KW  - alpha-Catenin
KW  - Differenzierung
KW  - Coxsackie and Adenovirus Receptor
KW  - colorectal carcinoma
KW  - tight junctions
KW  - alpha-Catenin
KW  - differentiation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31617
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TY  - THES
A1  - Frey, Simone K.
T1  - Investigations on extra- and intracellular retinol-binding proteins
T1  - Untersuchungen zu extra- und intrazellulären Retinol-Bindungsproteinen
N2  - The fat-soluble vitamin A, which is chemically referred to retinol (ROH), is known to be essential for the process of vision, the immune system but also for cell differentiation and proliferation. Recently, ROH itself has been reported to be involved in adipogenesis and a ROH transport protein, the retinol-binding protein 4 (RBP4), in insulin resistance and type 2 diabetes. However, there is still considerable scientific debate about this relation. With the increasing amount of studies investigating the relation of ROH in obesity and type 2 diabetes, basic research is an essential prerequisite for interpreting these results. This thesis enhances the knowledge on this relation by reviewing ROH metabolism on extra- and intracellular level. Aim 1: In the blood stream ROH is transported in a complex with RBP4 and a second protein, transthyretin (TTR), to the target cells. The levels of RBP4 and TTR are influenced by several factors but mainly by liver and kidney function. The reason for that is that liver and the kidneys are the sites of RBP4 synthesis and catabolism, respectively. Interestingly, obesity and type 2 diabetes involve disorders of the liver and the kidneys. Therefore the aim was to investigate factors that influence RBP4 and TTR levels in relation to obesity and type 2 diabetes (Part 1). Aim 2: Once arrived in the target cell ROH is bound to cellular retinol-binding protein type I (CRBP-I) and metabolised: ROH can either be stored as retinylesters or it can be oxidised to retinoic acid (RA). By acting as a transcription factor in the nucleus RA may influence processes such as adipogenesis. Therefore vitamin A has been postulated to be involved in obesity and type 2 diabetes. CRBP-I is known to mediate the storage of ROH in the liver, but the extra-hepatic metabolism and the functions of CRBP-I are not well known. This has been investigated in Part 2 of this work. Material & Methods: RBP4 and TTR levels were investigated by ELISA in serum samples of human subjects with overweight, type 2 diabetes, kidney or liver dysfunction. Molecular alterations of the RBP4 and TTR protein structure were analysed by MALDI-TOF mass spectrometry. The functions of intracellular CRBP-I were investigated in CRBP-I knock-out mice in liver and extra-hepatic tissues by measuring ROH levels as well as the levels of its storage form, the retinylesters, using reverse phase HPLC. The postprandial uptake of ROH into tissues was analysed using labelled ROH. The mRNA levels of enzymes that metabolize ROH were examined by real-time polymerase chain reaction (RCR). Results: The previous published results showing increased RBP4 levels in type 2 diabetic patients could not be confirmed in this work. However, it could be shown that during kidney dysfunction RBP4 levels are increased and that RBP4 and TTR levels are decreased during liver dysfunction. The important new finding of this work is that increased RBP4 levels in type 2 diabetic mice were increased when kidney function was decreased. Thus an increase in RBP4 levels in type 2 diabetes may be the effect of a reduced kidney function which is common in type 2 diabetes. Interestingly, during severe kidney dysfunction the molecular structure of RBP4 and TTR was altered in a specific manner which was not the case during liver diseases and type 2 diabetes. This underlines the important function of the kidneys in RBP4 metabolism. CRBP-I has been confirmed to be responsible for the ROH storage in the liver since CRBP-I knock-out mice had decreased ROH and retinylesters (the storage form of ROH) levels in the liver. Interestingly, in the adipose tissue (the second largest ROH storage tissue in the body) ROH and retinylesters levels were higher in the CRBP-I knock-out compared to the wild-type mice. It could be shown in this work that a different ROH binding protein, cellular retinol-binding protein type III, is upregulated in CRBP-I knock-out mice. Moreover enzymes were identified which mediate very efficiently ROH esterification in the adipose tissue of the knock-out mice. In the pancreas there was a higher postprandial ROH uptake in the CRBP-I knock-out compard to wild-type mice. Even under a vitamin A deficient diet the knock-out animals had ROH and retinylesters levels which were comparable to wild-type animals. These results underline the important role of ROH for insulin secretion in the pancreas. Summing up, there is evidence that RBP4 levels are more determined by kidney function than by type 2 diabetes and that specific molecular modifications occur during kidney dysfunction. The results in adipose tissue and pancreas of CRBP-I knock-out mice support the hypothesis that ROH plays an important role in glucose and lipid metabolism.
N2  - Vitamin A gehört zur Gruppe der fettlöslichen Vitamine und wird chemisch als Retinol bezeichnet. Es ist essentiell für den Prozess des Sehvorgangs und der Zelldifferenzierung und kann daher bestimmte Entwicklungsprozesse wie die Bildung des Fettgewebes beeinflussen. Aufgrund seiner Fettlöslichkeit muss Retinol im Blut (= extrazellulär) sowie in der Zelle (= intrazellulär) an sogenannte Transport-Moleküle, die Retinol-bindenden Proteine (RBPs) gebunden werden. Die zwei bekanntesten Vertreter der RBPs sind das Retinol-bindende Protein 4 (RBP4) und das intrazelluläre Retinol-bindende Protein Typ I (CRBP-I). RBP4 transportiert Vitamin A im Blut von der Leber zur Zielzelle und zum Abbauorgan für Vitamin A, der Niere. CRBP-I ist in der Leber für die Speicherung von Vitamin A zuständig. In den letzten Jahren wurden neben der Beteiligung des Retinols an der Bildung des Fettgewebes auch Studien veröffentlicht, in denen ein Zusammenhang zwischen erhöhten RBP4-Werte im Blut und Typ-2-Diabetes gezeigt wurde. Bis heute ist der mögliche Zusammenhang zwischen RBP4, CRBP-I und Übergewicht nicht ausreichend erforscht. Im ersten Teil der Arbeit war daher das Ziel, Einflussfaktoren, die zu Veränderungen der RBP4-Werte im Blut führen können, zu untersuchen. Dazu wurden Blutproben von Personen mit Übergewicht und/oder Typ-2-Diabetes und Patienten mit Nierenfunktionsstörungen oder mit Leberfunktionsstörungen analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass bereits geringe Nierenfunktionsstörungen zu erhöhten RBP4-Konzentrationen im Blut führten. Bei Typ-2-Diabetikern, die sehr oft an Nierenfunktionsstörungen leiden, war eine Erhöhung der RBP4-Konzentration mit einer Abnahme der Nierenfunktion verbunden. Somit lässt sich zusammenfassen, dass nicht Typ-2-Diabetes sondern vielmehr die dabei auftretenden Nierenfunktionsstörungen zu einer Erhöhung der RBP4-Werte führen. Bei Lebererkrankten konnte ein Absinken der RBP4-Werte nachgewiesen werden, was der verminderten Bildung von RBP4 in der Leber bei diesen Patienten zuzuschreiben ist. Im zweiten Teil sollte der Frage nachgegangen werden, wie Retinol intrazellulär verstoffwechselt wird. Dabei lag der Fokus auf der Erforschung der bisher nicht bekannten Funktionen von CRBP-I im Fettgewebe und der Bauchspeicheldrüse. Zur Untersuchung der Funktionen von CRBP-I wurden Mäuse gezüchtet, bei denen das Gen für CRBP-I gelöscht wurde. Da CRBP-I für die Speicherung von Vitamin A in der Leber verantwortlich ist, zeigen diese Mäuse sehr geringe Vitamin-A-Speicher in der Leber. Das gleiche zeigte sich für die Bauchspeicheldrüse, die für die Sekretion von Insulin Vitamin A benötigt: In den Mäusen ohne CRBP-I waren die Retinol-Werte drastisch gesunken. Interessanterweise zeigte sich im Fettgewebe ein gegenteiliges Bild: Die Konzentrationen an Retinol und dessen Speicher waren in den Mäusen ohne CRBP-I höher im Vergleich zu den normalen Mäusen. Mit bestimmten Nachweismethoden konnte herausgefunden werden, dass Retinol im Fettgewebe an ein anderes RBP, das CRBP-III, gebunden wird und dadurch effektiver gespeichert werden kann als durch CRBP-I.
KW  - Vitamin A
KW  - retinol
KW  - RBP
KW  - Retinol-Bindungsprotein 4
KW  - Diabetes
KW  - Vitamin A
KW  - retinol
KW  - RBP
KW  - Retinol-binding protein 4
KW  - diabetes
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31428
ER  - 
TY  - THES
A1  - Köhler, Andreas
T1  - Recognition and investigation of temporal patterns in seismic wavefields using unsupervised learning techniques
T1  - Unüberwachte Erkennung und Untersuchung von zeitlichen Mustern in seismischen Wellenfeldern
N2  - Modern acquisition of seismic data on receiver networks worldwide produces an increasing amount of continuous wavefield recordings. Hence, in addition to manual data inspection, seismogram interpretation requires new processing utilities for event detection, signal classification and data visualization. Various machine learning algorithms, which can be adapted to seismological problems, have been suggested in the field of pattern recognition. This can be done either by means of supervised learning using manually defined training data or by unsupervised clustering and visualization. The latter allows the recognition of wavefield patterns, such as short-term transients and long-term variations, with a minimum of domain knowledge. Besides classical earthquake seismology, investigations of temporal patterns in seismic data also concern novel approaches such as noise cross-correlation or ambient seismic vibration analysis in general, which have moved into focus within the last decade. In order to find records suitable for the respective approach or simply for quality control, unsupervised preprocessing becomes important and valuable for large data sets. Machine learning techniques require the parametrization of the data using feature vectors. Applied to seismic recordings, wavefield properties have to be computed from the raw seismograms. For an unsupervised approach, all potential wavefield features have to be considered to reduce subjectivity to a minimum. Furthermore, automatic dimensionality reduction, i.e. feature selection, is required in order to decrease computational cost, enhance interpretability and improve discriminative power. This study presents an unsupervised feature selection and learning approach for the discovery, imaging and interpretation of significant temporal patterns in seismic single-station or network recordings. In particular, techniques permitting an intuitive, quickly interpretable and concise overview of available records are suggested. For this purpose, the data is parametrized by real-valued feature vectors for short time windows using standard seismic analysis tools as feature generation methods, such as frequency-wavenumber, polarization, and spectral analysis. The choice of the time window length is dependent on the expected durations of patterns to be recognized or discriminated. We use Self-Organizing Maps (SOMs) for a data-driven feature selection, visualization and clustering procedure, which is particularly suitable for high-dimensional data sets. Using synthetics composed of Rayleigh and Love waves and three different types of real-world data sets, we show the robustness and reliability of our unsupervised learning approach with respect to the effect of algorithm parameters and data set properties. Furthermore, we approve the capability of the clustering and imaging techniques. For all data, we find improved discriminative power of our feature selection procedure compared to feature subsets manually selected from individual wavefield parametrization methods. In particular, enhanced performance is observed compared to the most favorable individual feature generation method, which is found to be the frequency spectrum. The method is applied to regional earthquake records at the European Broadband Network with the aim to define suitable features for earthquake detection and seismic phase classification. For the latter, we find that a combination of spectral and polarization features favor S wave detection at a single receiver. However, SOM-based visualization of phase discrimination shows that clustering applied to the records of two stations only allows onset or P wave detection, respectively. In order to improve the discrimination of S waves on receiver networks, we recommend to consider additionally the temporal context of feature vectors. The application to continuous recordings of seismicity close to an active volcano (Mount Merapi, Java, Indonesia) shows that two typical volcano-seismic events (VTB and Guguran) can be detected and distinguished by clustering. In contrast, so-called MP events cannot be discriminated. Comparable results are obtained for selected features and recognition rates regarding a previously implemented supervised classification system. Finally, we test the reliability of wavefield clustering to improve common ambient vibration analysis methods such as estimation of dispersion curves and horizontal to vertical spectral ratios. It is found, that in general, the identified short- and long-term patterns have no significant impact on those estimates. However, for individual sites, effects of local sources can be identified. Leaving out the corresponding clusters, yields reduced uncertainties or allows for improving estimation of dispersion curves.
N2  - Die Anzahl der weltweit kontinuierlich aufzeichnenden seismischen Messstationen ist in den vergangenen Jahren immer weiter angestiegen. Aus diesem Grund steht eine große Menge von seismischen Datensätzen zu Forschungszwecken zur Verfügung. Insbesondere betrifft dies passive Verfahren zur geologischen Strukturerkundung entweder mittels transienter Ereignisse wie Erdbeben oder unter der Verwendung der permanent vorhandenen natürlichen seismischen Bodenunruhe. Die Bearbeitung dieser Daten erfordert neben der klassischen manuellen Seismogrammanalyse verstärkt auch den Einsatz automatischer Detektionssysteme. Mit Hilfe von überwachten Lernverfahren, d.h. unter Verwendung von seismischen Signalen deren Auftreten bekannt ist, ist es möglich, unbekannte Muster zu klassifizieren. Im Gegensatz dazu hatte die vorliegende Arbeit zum Ziel, ein allgemeines, unüberwachtes Verfahren zur quantitativen Zerlegung seismischer Wellenfelder zu entwickeln. Dies wird mittels einer automatischen Clusterung von Seismogrammzeitfenstern bzw. über die Visualisierung von zeitlichen Mustern auf unterschiedlichen Zeitskalen erreicht. Als unüberwachtes Lernverfahren, das neben der Clusterung auch eine einfach interpretierbare Visualisierung hoch-dimensionaler Datensätze über eine zweidimensionale Darstellung ermöglicht, wurde der Self-organizing-map Algorithmus (SOM) gewählt. Für automatische Lernverfahren ist die Parametrisierung der Seismogramme mittels Merkmalsvektoren erforderlich. Im vorliegenden Fall wurden möglichst viele potentielle Wellenfeldmerkmale unter Verwendung von verschiedenen seismischen Einzel- und Mehrstationsanalyseverfahren für aufeinanderfolgende kurze Zeitfenster berechnet. Um eine datenadaptive und effiziente Parametrisierung zu erreichen, wurde darüberhinaus ein quantitatives Auswahlverfahren für geeignete Merkmale entwickelt, das über einen mehrstufigen Filter bestehend aus einem Signifikanztest und einer SOM-basierenden Korrelationsanalyse redundante und irrelevante Eigenschaften aussortiert. Mit den neu implementierten Techniken wurden verschiedene Arten von seismischen Datensätzen unter Berücksichtigung verschiedener seismologischer Fragestellungen bearbeitet. Die Algorithmen und deren Parameter wurden zunächst intensiv und quantitativ mit Hilfe synthetischer Daten getestet und optimiert. Anschließend wurden reale Aufzeichnungen regionaler Erdbeben und vulkanischer Seismizität verwendet. Im ersten Fall konnten geeignete Merkmale zur Detektion und Klassifizierung von Erdbebenwellenphasen gefunden und die Diskriminierung dieser Signale mit Hilfe der SOM-Darstellung untersucht werden. Unter Verwendung des zweiten Datensatzes wurden Cluster typischer vulkano-seismischer Signale am Vulkan Mount Merapi (Java, Indonesien) detektiert, die sich zur Vorhersage von Eruptionen eignen. Beide Anwendungen haben gezeigt, dass, verglichen mit einzelnen Methoden, automatisch gefundene Kombinationen von Merkmalen verschiedener Parametrisierungsverfahren deutlich bessere Klassifizierungsraten zur Folge haben. Zudem können die Erkenntnisse über die Clusterung von seismischen Signalen dazu verwendet werden, verbesserte automatische Klassifizierungssysteme zu entwickeln. Abschließend wurden Aufzeichnungen der natürlichen seismischen Bodenunruhe bearbeitet. Insbesondere konnte der Einfluss kurzzeitiger und längerfristiger Variationen im Wellenfeld auf Methoden zur passiven Strukturerkundung untersucht werden. Es hat sich gezeigt, dass in einzelnen Fällen tageszeitabhängige Muster und lokale seismische Quellen die Ergebnisse negativ beeinflussen können. Die Wellenfeldzerlegung mittels Clusterung hat es erlaubt, diese Signale zu identifizieren und somit von der Analyse auszuschließen.
KW  - Seismologie
KW  - Mustererkennung
KW  - Unüberwachtes Lernen
KW  - Seismology
KW  - Pattern Recognition
KW  - Unsupervised Learning
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29702
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TY  - THES
A1  - Mergenthaler, Konstantin K.
T1  - The control of fixational eye movements
T1  - Die Kontrolle fixationaler Augenbewegungen
N2  - In normal everyday viewing, we perform large eye movements (saccades) and miniature or fixational eye movements. Most of our visual perception occurs while we are fixating. However, our eyes are perpetually in motion. Properties of these fixational eye movements, which are partly controlled by the brainstem, change depending on the task and the visual conditions. Currently, fixational eye movements are poorly understood because they serve the two contradictory functions of gaze stabilization and counteraction of retinal fatigue. In this dissertation, we investigate the spatial and temporal properties of time series of eye position acquired from participants staring at a tiny fixation dot or at a completely dark screen (with the instruction to fixate a remembered stimulus); these time series were acquired with high spatial and temporal resolution. First, we suggest an advanced algorithm to separate the slow phases (named drift) and fast phases (named microsaccades) of these movements, which are considered to play different roles in perception. On the basis of this identification, we investigate and compare the temporal scaling properties of the complete time series and those time series where the microsaccades are removed. For the time series obtained during fixations on a stimulus, we were able to show that they deviate from Brownian motion. On short time scales, eye movements are governed by persistent behavior and on a longer time scales, by anti-persistent behavior. The crossover point between these two regimes remains unchanged by the removal of microsaccades but is different in the horizontal and the vertical components of the eyes. Other analyses target the properties of the microsaccades, e.g., the rate and amplitude distributions, and we investigate, whether microsaccades are triggered dynamically, as a result of earlier events in the drift, or completely randomly. The results obtained from using a simple box-count measure contradict the hypothesis of a purely random generation of microsaccades (Poisson process). Second, we set up a model for the slow part of the fixational eye movements. The model is based on a delayed random walk approach within the velocity related equation, which allows us to use the data to determine control loop durations; these durations appear to be different for the vertical and horizontal components of the eye movements. The model is also motivated by the known physiological representation of saccade generation; the difference between horizontal and vertical components concurs with the spatially separated representation of saccade generating regions. Furthermore, the control loop durations in the model suggest an external feedback loop for the horizontal but not for the vertical component, which is consistent with the fact that an internal feedback loop in the neurophysiology has only been identified for the vertical component. Finally, we confirmed the scaling properties of the model by semi-analytical calculations. In conclusion, we were able to identify several properties of the different parts of fixational eye movements and propose a model approach that is in accordance with the described neurophysiology and described limitations of fixational eye movement control.
N2  - Während des alltäglichen Sehens führen wir große (Sakkaden) und Miniatur- oder fixationale Augenbewegungen durch. Die visuelle Wahrnehmung unserer Umwelt geschieht jedoch maßgeblich während des sogenannten Fixierens, obwohl das Auge auch in dieser Zeit ständig in Bewegung ist. Es ist bekannt, dass die fixationalen Augenbewegungen durch die gestellten Aufgaben und die Sichtbedingungen verändert werden. Trotzdem sind die Fixationsbewegungen noch sehr schlecht verstanden, besonders auch wegen ihrer zwei konträren Hauptfunktionen: Das stabilisieren des Bildes und das Vermeiden der Ermüdung retinaler Rezeptoren. In der vorliegenden Dissertation untersuchen wir die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften der Fixationsbewegungen, die mit hoher zeitlicher und räumlicher Präzision aufgezeichnet wurden, während die Versuchspersonen entweder einen sichtbaren Punkt oder aber den Ort eines verschwundenen Punktes in völliger Dunkelheit fixieren sollten. Zunächst führen wir einen verbesserten Algorithmus ein, der die Aufspaltung in schnelle (Mikrosakkaden) und langsame (Drift) Fixationsbewegungen ermöglicht. Den beiden Typen von Fixationsbewegungen werden unterschiedliche Beiträge zur Wahrnehmung zugeschrieben. Anschließend wird für die Zeitreihen mit und ohne Mikrosakkaden das zeitliche Skalenverhalten untersucht. Für die Fixationsbewegung während des Fixierens auf den Punkt konnten wir feststellen, dass diese sich nicht durch Brownsche Molekularbewegung beschreiben lässt. Stattdessen fanden wir persistentes Verhalten auf den kurzen und antipersistentes Verhalten auf den längeren Zeitskalen. Während die Position des Übergangspunktes für Zeitreihen mit oder ohne Mikrosakkaden gleich ist, unterscheidet sie sich generell zwischen horizontaler und vertikaler Komponente der Augen. Weitere Analysen zielen auf Eigenschaften der Mikrosakkadenrate und -amplitude, sowie Auslösemechanismen von Mikrosakkaden durch bestimmte Eigenschaften der vorhergehenden Drift ab. Mittels eines Kästchenzählalgorithmus konnten wir die zufällige Generierung (Poisson Prozess) ausschließen. Des weiteren setzten wir ein Modell auf der Grundlage einer Zufallsbewegung mit zeitverzögerter Rückkopplung für den langsamen Teil der Augenbewegung auf. Dies erlaubt uns durch den Vergleich mit den erhobenen Daten die Dauer des Kontrollkreislaufes zu bestimmen. Interessanterweise unterscheiden sich die Dauern für vertikale und horizontale Augenbewegungen, was sich jedoch dadurch erklären lässt, dass das Modell auch durch die bekannte Neurophysiologie der Sakkadengenerierung, die sich räumlich wie auch strukturell zwischen vertikaler und horizontaler Komponente unterscheiden, motiviert ist. Die erhaltenen Dauern legen für die horizontale Komponente einen externen und für die vertikale Komponente einen internen Kontrollkreislauf dar. Ein interner Kontrollkreislauf ist nur für die vertikale Kompoente bekannt. Schließlich wird das Skalenverhalten des Modells noch semianalytisch bestätigt. Zusammenfassend waren wir in der Lage, unterschiedliche Eigenschaften von Teilen der Fixationsbewegung zu identifizieren und ein Modell zu entwerfen, welches auf der bekannten Neurophysiologie aufbaut und bekannte Einschränkungen der Kontrolle der Fixationsbewegung beinhaltet.
KW  - Mikrosakkaden
KW  - rückgekoppelte Zufallsprozesse
KW  - Augenbewegungen
KW  - Sakkadendetektion
KW  - Fixation
KW  - microsaccades
KW  - delayed random walks
KW  - visual fixation
KW  - eye movements
KW  - saccade detection
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29397
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TY  - THES
A1  - Yin, Chunhong
T1  - The interplay of nanostructure and efficiency of polymer solar cells
T1  - Einfluss der Nanostruktur auf die Effizienz von Polymer-Solarzellen
N2  - The aim of this thesis is to achieve a deep understanding of the working mechanism of polymer based solar cells and to improve the device performance. Two types of the polymer based solar cells are studied here: all-polymer solar cells comprising macromolecular donors and acceptors based on poly(p-phenylene vinylene) and hybrid cells comprising a PPV copolymer in combination with a novel small molecule electron acceptor. To understand the interplay between morphology and photovoltaic properties in all-polymer devices, I compared the photocurrent characteristics and excited state properties of bilayer and blend devices with different nano-morphology, which was fine tuned by using solvents with different boiling points. The main conclusion from these complementary measurements was that the performance-limiting step is the field-dependent generation of free charge carriers, while bimolecular recombination and charge extraction do not compromise device performance. These findings imply that the proper design of the donor-acceptor heterojunction is of major importance towards the goal of high photovoltaic efficiencies. Regarding polymer-small molecular hybrid solar cells I combined the hole-transporting polymer M3EH-PPV with a novel Vinazene-based electron acceptor. This molecule can be either deposited from solution or by thermal evaporation, allowing for a large variety of layer architectures to be realized. I then demonstrated that the layer architecture has a large influence on the photovoltaic properties. Solar cells with very high fill factors of up to 57 % and an open circuit voltage of 1V could be achieved by realizing a sharp and well-defined donor-acceptor heterojunction. In the past, fill factors exceeding 50 % have only been observed for polymers in combination with soluble fullerene-derivatives or nanocrystalline inorganic semiconductors as the electron-accepting component. The finding that proper processing of polymer-vinazene devices leads to similar high values is a major step towards the design of efficient polymer-based solar cells.
N2  - Ziel dieser Dissertation ist es, die grundlegende Arbeitsweise von polymerbasierten Solarzellen zu verstehen und ihre Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Zwei Arten von organischen Solarzellen werden untersucht: Solarzellen, bei denen sowohl Elektronendonator und akzeptor auf Poly(p-phenylen-vinylen) basieren sowie Zellen, bei denen ein PPV-Copolymer als Elektronendonator und organische kleine Moleküle als Elektronenakzeptor fungierten. Um die Zusammenhänge zwischen Morphologie und photovoltaischen Eigenschaften zu verstehen, untersuchte ich Photoströme sowie die Eigenschaften angeregter Zustände in Zweischicht- und Mischsolarzellen mit unterschiedlicher Nano-Morphologie, welche durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlichen Siedetemperaturen modifiziert wurde. Die Hauptschlussfolgerung aus diesen Messungen ist, dass der effizienzlimitierende Faktor die feldabhängige Generation freier Ladungsträger ist, wohingegen bimolekulare Rekombination oder die Extraktion der Ladungsträger die Leistungsfähigkeit von Polymer-Polymer- Solarzellen nicht beeinträchtigen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die gezielte Einstellung der Donator-Akzeptor-Grenzfläche von besonderer Bedeutung zum Erreichen hoher Effizienzen ist. In Hybridsolarzellen aus Polymeren und kleinen Molekülen kombinierte ich das lochleitende konjugierte Polymer M3EH-PPV mit einem neuartigen Vinazen-Molekül als Elektronen-akzeptor. Dieses Molekül bietet die Möglichkeit, entweder aus einer Lösung heraus verarbeitet oder im Hochvakuum verdampft zu werden, wodurch eine Vielzahl an unterschiedlichen Probenstrukturen realisiert werden kann. Dadurch konnte ich zeigen, dass die Struktur der aktiven Schicht einen großen Einfluss auf die photovoltaischen Eigenschaften hat. Die Solarzellen erreichten einen Füllfaktor von bis zu 57% und eine Kurzschluss¬spannung von 1 V. In der Vergangenheit konnten bei polymerbasierten Solarzellen Füllfaktoren über 50% nur in Verbindung mit Fullerenen oder nanokristallinen anorganischen Halbleitern als Akzeptoren erreicht werden. Das Resultat, dass bei geeigneter Präparation der Polymer-Vinazen-Schicht vergleichbare Ergebnisse erzielt werden können, ist ein bedeutender Schritt hin zu effizienteren Polymersolarzellen.
KW  - Nanostruktur
KW  - Polymer-Solarzelle
KW  - Effizienz
KW  - Morphologie
KW  - Polymer solar cells
KW  - nanostructure
KW  - efficiency
KW  - morphology
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-29054
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