Bachelor and Master Theses

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Küstner, Merle Johanna;
Auswirkungen der Exposition von Nanopartikeln (TiO2 & BaSO4) auf ein 3D-Zellmodell der Lungenalveolen unter Air-Liquid Interface-Bedingungen. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde die Toxizität von BaSO4- und TiO2- Nanopartikeln in einem im FG Nanobiosystemtechnik entwickeltem Lungenkokultur-Expositionssystem gemessen. Für die Feststellung der Eignung dieses in vitro Modells wurden die metabolische Aktivität sowie die LDH-Sekretion von A549 Lungenepithelzell-Monokulturen als Vitalitätsmarker bestimmt und mit einer A549/EA.hy926-Kokultur verglichen. Nach Festlegung der besseren Eignung der Kokulturen als Modell für die Lungenalveolen wurde anhand dieser die Auswirkungen von chronischer und akuter Nanopartikel (TiO2- und BaSO4)-Exposition bestimmt. Hierbei wurde neben den oben genannten Untersuchungen zudem noch das inflammatorische Antwortverhalten (MCP-1, IL-8-Sekretion sowie lösliches ICAM-1) der Zellen auf die Nanopartikel untersucht und der transepitheliale elektrische Widerstand gemessen. Die generierten Daten zeigen durchweg die stärksten Auswirkungen einer Exposition mit 0,1 g/L TiO2 und 0,9 g/L BaSO4. Bei 0,1 g/L BaSO4 treten lediglich nach der wiederholten Exposition im chronischen Versuch leichte Effekte auf, während 0,9 g/L TiO2 ebenfalls im geringeren Maße eine Toxizität aufweist. Die hohe Regenrationsfähigkeit der Zellen nach der Exposition mit den entsprechenden Konzentrationen deutet grundsätzlich auf eine geringfügige Beeinträchtigung hin.



Fokou Domche, Armelle Maryvone ;
Red Queen versus Muller's Ratchet bei T4 Bacteriophagen. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Bei COVID-19 handelt es sich bisher meistens um eine relativ milde Erkrankung. Sie ist aber hochansteckend und kann bei ungünstiger Veranlagung (Genetische Faktoren, Alter, Gesundheitszustand) einen schweren bis tödlichen Verlauf haben [3]. Der bisherige Pandemieverlauf lässt sich anhand der Red Queen Hypothese und der Muller’s ratchet Theorie erklären und die Versuchsergebnisse der Arbeiten mit Phagen unterstützen dies. Die steigende Virulenz zu Beginn der Pandemie als gar keine oder wenige Leute geimpft waren, konnte durch die Entwicklung der Phagen bei der large Scale Passage repräsentiert werden. Die verringerte Virulenz in den jetzigen Mutanten kann ein Einfluss des Impfstoffes sein und wird durch den Effekt der Plaque to Plaque Experimente repräsentiert. Jedoch ist der weitere Verlauf der SARS-CoV-2 Pandemie nicht vorhersehbar. Im Rahmen der Phagenexperimente konnte beobachtet werden, dass es plötzlich zu einem unerwarteten Anstieg oder Abfall der Fitness kommen kann. Im Rahmen dieser Masterarbeit sollte herausgefunden werden, ob die RQH und Muller’s ratchet Theorie auf T4 Bakteriophagen anwendbar sind. Dazu sollte geprüft werden, ob sich die Theorien auf DNA-Viren genauso auswirken, wie auf RNA-Viren. Untersucht werden sollte die Entwicklung der Fitness, die Veränderungen der Phagenkonzentration sowie der Verlauf der Wurfgröße von T4. Die Untersuchung der Parameter erfolgt unter Anwendung die Methode des Large Scale Passage (RQH) und Plaque to Plaque Assay (Muller’s ratchet). Zusätzlich sollte im Fall von large Scale Passagen die Burstzeit untersucht werden, während beim Plaque to Plaque der durchschnittliche Plaquedurchmesser und die dazugehörige Wachstumsrate untersucht werden. Weiterhin sollten genotypische Veränderungen von T4 Bakteriophage im Laufe der Passagen anhand Gelelektrophorese analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Theorien nicht nur auf DNA-Phagen anwendbar sind, sondern dass sie einen ähnlichen Verlauf wie RNA-Viren aufweisen. Außerdem ist es wichtig zu erwähnen, dass der Korrektur Mechanismus der DNA-Phagen, sowie die Größe der Phagen, einen merklichen Einfluss auf die Untersuchungsergebnisse hat. Im Vergleich zu RNA Viren sind die theoretisch vorhergesagten Effekte bei den untersuchten DNA-Phagen nicht so stark ausgeprägt, aber immer noch sichtbar. Weiterhin konnte durch die Untersuchung einzelner Plaques gezeigt werden, dass es innerhalb einer Population diverse Unterschiede der Wachstumsraten gibt und die damit einhergehenden Plaquegrößen sehr verschieden sind. Im Fall von large Scale Passagen wurde eine vergleichbare Tendenz bzw. ein Fitnessanstieg wie bei den RNA Viren festgestellt und die Anwendbarkeit der Theorie bestätigt. Für einen genaueren Vergleich müsste die Anzahl der Versuche noch deutlich erhöht werden. Die Analyse durch die Gelelektrophorese, um die aufgetretenen Mutationen zu beobachten, was eine Bestätigung der Ergebnisse geben könnte, war wegen der ghmc in T4 DNA nicht möglich. Hier könnte die Verwendung einer klonierten T4 DNA das Problem lösen. Dieser Schritt wäre jedoch sehr zeitaufwendig und es besteht die Möglichkeit, dass die ghmc Struktur von T4 einen Einfluss auf die Fitness hat.



Salimitari, Paniz;
Muller's Ratchet Effekte und virale Fitness bei T7-Bakteriophagen. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die durch das Corona-Virus bedingte Pandemie war in den letzten zwei Jahren der wichtigste Grund für eine intensivere Erforschung der Virenwelt. In diesem Zusammenhang können wichtige Modelle, die in der Vergangenheit aufgestellt wurden, mit dem heutigen Wissen und den heutigen Möglichkeiten überprüft werden und dazu beitragen, die Bekämpfung von Viren zu verbessern. In dieser Arbeit wurde mit dem Plaque-to-Plaque-Assay untersucht, ob der Muller's Ratchet Effekt in großen Populationen zu einer Abnahme der Fitness durch negative Mutationen mit hoher Mutationsrate führen kann. Um diese Überlegung zu verwirklichen, wurde T7, ein doppelsträngiger DNA-Bakteriophage mit etwa 40 Kilobasenpaaren, als Versuchsorganismus ausgewählt und ein Plaque-to-Plaque-Assay mit 25 Passagen durchgeführt. Durch Messung der zwei Variablen, nämlich der Größe des Plaque-Durchmessers und der Veränderung des Phagentiters, wurde die Gesamtfitness im Verlauf von 25 T7-Phagengenerationen erforscht. In diesem Fall führte die Anwendung des Genetic Bottlenecks, bei dem die größten und kleinsten Plaques für die nächste Passage ausgewählt werden, zu einer Verringerung der Populationsgröße. Dies verstärkt die Auswirkungen des Muller's Ratchet Effekts. Darüber hinaus wurden im Rahmen dieser Arbeit die Veränderungen in der Anzahl der Phagen in einer Plaque und die Größe des Plaque-Durchmessers innerhalb von 24 Stunden beobachtet. Aus den Ergebnissen der Experimente und der Bestimmung der Fitness mit der Formel geht hervor, dass die Fitness durch wiederholte Genetic Bottleneck im Laufe der Zeit abnimmt und dass der Muller's Ratchet Effekt aufgrund der hohen Mutationsrate und der Abnahme der Populationsgröße zum Tragen kommt. Die Schlussfolgerung ist, dass der Muller's Ratchet Effekt bei DNA-Viren auf die gleiche Weise wie bei RNA-Viren funktionieren kann.



Ntenkeu Yanse, Josee Andria;
Untersuchung der viralen Fitness von T7 Bakteriophagen bei Large Scale Passagen. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Der Verlauf der viralen Fitness von Phagen bei large Scale Passagen wurde schon in den 90er Jahren mit humanpathogen RNA-Viren untersucht. Aufgrund der hohen Pathogenität von verschiedenen Viren, die in den letzten Jahren Bekanntheit erlangten, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente über der viralen Fitness bei large Scale Passagen mit harmlosen DNA-Viren wie Bakteriophagen T7 durchgeführt. Die Experimente zeigen, dass die Untersuchung der viralen Fitness von T7 bei large Scale Passagen teilweise zu einer Fitnesserhöhung führt. Es folgt dann eine Abnahme der Burstzeit, eine Zunahme der Wurfgrößenrate sowie eine Minderung des Phagentiters im Laufe der Passagen. Zusätzlich zeigt die DNA-Analyse unterschiedliche Mutationen des Genoms im Laufe der Passagen.



Spruner von Mertz, Franziska;
Beiträge zur Thiazolchemie: Sensoren auf Thiazolbasis. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Arbeit befasst sich sowohl mit der Synthese neuartiger Thiazolkörper, als auch mit der Untersuchung einiger Molekülstrukturen hinsichtlich potentieller Sensoreigenschaften. Dabei wird zum einen in 2-Position Pyren und zum anderen eine Verbrückung zu einem 2,2'-bis-Thiazolsystem realisiert. Zusätzlich wird die oft mit Carbonsäure funktionalisierte Position 5 und die Hydroxy-Position 4 dabei in zusätzlicher Derivatisierung herangezogen. Die intensive Fluoreszenz vieler 4-Hydroxy-1,3-thiazole und ihrer Derivate kann eine Applikation als fluoreszente Chemosensoren in einem biologischen Umfeld ermöglichen. Die Anwendung als fluoreszente Chemosensoren konnte bei Pyrenthiazolen für Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff sowie pH-Wert und Polarität aufgezeigt werden. Die verbrückten 2,2'-bis-Thiazolsysteme demonstrierten eine ausgezeichnete Respons auf Magnesium, welches ein breites Anwendungs- und Forschungspotential besitzt. In zusätzlichen Untersuchungen war es möglich, durch Substitution ein Chlorid in 4-Position eines Thiazols einzuführen. Ebenfalls soll eine Acetylgruppe in 5-Position eingeführt werden, was allerdings in dieser Arbeit nicht vervollständigt wird.



Sieger, Alexandra;
Methodische Optimierung eines Lebersinusoid-Cell-Sheet-Layer-Systems zur Kultivierung von Hepatozyten und Endothelzellen. - Ilmenau. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung unterschiedlicher Prozesseinflüsse auf das Cell-Sheet-Layer (CSL)-System und ein anschließender Vergleich des mit Zellen besiedelten Systems mit einer herkömmlichen In-vitro-Zellkokultur. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob die bisher verwendeten Bedingungen zur Zellbesiedlung und Perfusion der CSL optimal sind, eine Übertragung des Kollagens durch den Thermoforming-Prozess stattfindet und die Zellen auf diesen Strukturen erfolgreich adhärieren können. Außerdem sollten alternative Methoden der Durchbrucherzeugung auf dem CSL entwickelt werden, die die Akkumulation bzw. das Durchwandern der Zellen von der einen auf die andere CSL-Seite verhindern. Dazu wurde eine manuelle Methode entwickelt, welche vor der Besiedlung Durchbrüche stanzt, und eine Methode bei der ein ferngesteuerter Nanoroboter die Durchbrüche nach der Besiedlung erzeugen kann. Bei der Betrachtung der Perfusionsbedingungen wurden verschiedene Inkubationszeiten und Fließraten im Bioreaktor auf ihren Einfluss der Zellen anhand von Live-Dead-Färbungen geprüft sowie unterschiedliche Pumpensysteme verwendet. Für die Untersuchung der Kollagenübertragung wurde mittels immuncytochemischer Färbungen versucht das Kollagen auf den CSL nachzuweisen. Bei der Untersuchung der Übertragung während des CSL-Herstellungsprozess wurde eine Coomassiefärbung durchgeführt und mögliche Einflüsse des Kollagens und der Folie getestet. Als abschließender Versuch wurde die Funktionalität der HepG2 Zellen mit den im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten Optimierungen anhand der Albuminsekretion im 2D und CSL-System getestet. Betrachtet man die Inkubation und die Durchbrüche, kann man zu dem Schluss kommen, dass die Perfusion mit dem automatisierten Pumpensystem sowie die Erzeugung der Durchbrüche mit dem Nanoroboter die besten Ergebnisse brachten. Die Upcyte® Zellen zeigten sich anfälliger bei der Perfusion als es bei den immortalisierten Zelllinien beobachtet wurde. Im abschließenden Vergleich des CSL-Systems unter Perfusion mit einer 2D-Kultur ergab die Auswertung der Albuminwerte nach 24 Stunden eine stark erhöhte Funktionalität der Zellen in dem System. Angesichts dieser Ergebnisse liegt die Schlussfolgerung nahe, dass das System unter den richtigen Bedingungen eine deutliche Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen In-vitro-2D-Kulturen bietet.



Kaysan, Leon;
Scaffoldtechnologie für neuronale Organoide. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Möglichkeit, Organoide aus Stammzellen zu erzeugen, eröffnet ganz neue Möglichkeiten für Bereiche wie der Wirkstoffforschung, hin zu Anwendungen in der personalisierten Medizin. Besonders das Gehirn und zentrale Nervensystem ist auch heute noch für die Forschung nur schwer zugänglich. So konnten beispielsweise bereits cerebrale Organoide aus hESC erzeugt werden, an denen sich die Entwicklung des menschlichen Gehirnes beobachten lässt. Der Anwendung von Organoiden im großen Stil steht im Weg, dass die Herstellung zum einen relativ aufwändig ist und zum anderen die hergestellten Organoide untereinander wenig homogen sind. Durch die Verwendung der an der TU Ilmenau entwickelten MatriGrids® wurde versucht, den Herstellungsprozess von cerebralen Organoiden nach dem Protokoll von Lancaster et al. Im Bezug auf die Ausbeute und die Homogenität zwischen den Organoiden zu verbessern. Hierzu wurden neuartige MatriGrids® verwendet, bei denen PLGA-Fasern in die Kavitäten eingespült wurden. Die Verwendung der PLGA-Fasern soll die Ausbildung von Neuroektoderm positiv beeinflussen.



Jaster, Jonas;
Synthese von N-Hydroxyalkyl Derivaten von fotoschaltbarer DASA Farbstoffe und Untersuchung deren solvatochromen Eigenschaften. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Donor-Acceptor Stenhouse Addukte, kurz DASA, sind eine Gruppe photoschaltbarer Moleküle. Im Rahmen der Arbeit wurde versucht neuartige Derivate der Familie der DASA Farbstoffe darzustellen. Hierbei gelang es Synthesen für alle Derivate auf Basis von Methylbarbitursäure und 1,3-Dimethylbarbitursäure in Kombination mit Diethylamin, Diethanolamin, Bis(2-hydroxypropyl)amin oder 2-(Methylamino)ethanol zu verwirklichen. Im Anschluss wurde mit der Vermessung des Schaltvorganges begonnen. Hierbei wurde der Einfluss von eingebrachter Polarität auf die Aktivierungsenergie untersucht. Desweiteren wurde versucht eine neuartige tetraene-DASA Variante zu verwirklichen. Dies wurde durch Öffnung des aktivierten Furanringes mittels eines Enamines ermöglicht. Anhand von NMR Messungen konnte die Struktur und der Schaltmechanismus dieser neuen Variante geklärt werden.



Overduin, Joost;
Constructing a modular bubble remover and a multi-channel delivery device for organ-on-a-chip systems. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Organ-on-a-Chip (OoaC) Mikrosysteme sind neuartige Testinstrumente mit perfundierten 3D-strukturierten Zellkulturen, welche die Physiologie von Organen nachbilden. Genaue Kontrolle der mikrophysiologischen Bedingungen und Verwendung von mehreren Zelltypen sind wesentlicher Fortschritte im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturen. Der Einsatz von OoaCs verspricht eine Optimierung/Beschleunigung der Wirkstoffentwicklung, die Ermöglichung personalisierter Medizin und eine Verminderung des Bedarfs an Tierversuchen. Zwei OoaC-relevanten Modulen wurden konstruiert: (a) Ein modularer Luftblasen-Entferner; (b) eine programmierbare Mehrkanalpumpe für die Zugabe von Nährstoffen, Hormonen und sonstigen bioaktiven Substanzen. (a) Luftblasen in OoaCs sind zytotoxisch und behindern die Perfusion. Sie werden entweder infundiert oder entstehen aus Lufteinschlüssen während Temperatur- oder Druckschwankungen. Ein mikrofluidischer Blasenentferner wurde gebaut, dessen mikroporöse Membran (Porendurchmesser: 0,3 [my]m) die Luftblasen zu einer 1 mm dicken PDMS-Membran lenkt die sie in eine Vakuumkammer führt. Normaler Perfusion (0-150 [my]l/St.) ergab eine effektive Blasenentfernung (Halbwertszeit: 12 Min.). Weiter zeigten sich kaum Effekte der Betriebsparameter (Perfusionsrate und fluidischer Widerstand) auf die Blasenentfernung. COMSOL-Modelle der Blasenentfernung entsprachen den experimentellen Beobachtungen. Eine dünnere, semiporöse PDMS-Membran beschleunigte die Blasenentfernung um das Doppelte. Simulationen zeigten, dass die 1 mm dicke PDMS-Membran, die -900 mbar ausgesetzt wird, den Luftgehalt des Mediums um 36 % vermindert, was stromabwärts Luftblasen reduzieren könnte. Zum Schluss wurde ein Konzept des "non-porösen Schwamms" präsentiert, zur Luftblasenentfernung mit PDMS ohne externe Vakuumleitungen. (b) Eine programmierbare Mehrkanalpumpe wurde entworfen, um physiologiegerechte Abgabe von komplexen Medien an OoaCs zu realisieren. Schrittmotoren, kontrolliert von einem Arduino-Mega-2500 Mikrokontroller, betätigen Spritzen mit den jeweiligen Medienkomponenten. Zur Eingabe von Infusionsmustern wurde eine Excel-ähnliche Benutzerfläche erstellt. Eine Windows GUI Konsole wurde in Visual Basic 2017 und Python 3.7 programmiert zur Konversion der Infusionszeitpläne in ausführbare Pumpdateien. Ein Arduino Sketch (in Arduino C) diente zur elektronischen Ansteuerung der Schrittmotoren.



Alternative Synthesewege zur überlappungsfreien Kombination von DNA Modulen. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Ziel der Bachelor-Arbeit ist es, eine doppelsträngige DNA-Sequenz aus Oligonukleotiden zu synthetisieren und das Produkt aufzureinigen. Die Sequenz der DNA ist hierbei nach einem System zu entwickeln, um eine Nachricht in dieser zu codieren. Um das umzusetzen wurden diverse Optimierungsversuche sowohl an der Synthese als auch der Aufarbeitung der DNA unternommen. Das gewünschte Produkt konnte zwar hergestellt werden, jedoch weder sequenzierbar noch ausreichend rein. Gegenüber vorangegangenen Arbeiten wurden jedoch Erfolge gegenüber der Quote an Nebenprodukten und Verunreinigungen erzielt.