Investigation of Bio-Inspired Pin Geometries for Enhanced Heat Transfer Applications

Array of circular cylindrical pins or tubes are one of the most widely used type of convection cooling systems, profoundly used in the internal cooling of gas turbine blades. They promote heat transfer due to flow acceleration, secondary flows and wake shedding, at the expense of large pressure loss and unsteadiness in the flow. The need to reduce pressure loss and maintain the heat transfer rates are a much needed requirement for a variety of industries to improve the cooling efficiency. One such prominent line of research is conducted on optimizing the design of the circular cylindrical pins to increase their cooling performance. Bio-mimicked harbor seal whisker have been studied from an aerodynamic standpoint, due to their ability to reduce drag and flow unsteadiness. While applying this mimicked geometry in thermal management research, it was found that they lead to reduction in cooling system pumping power requirements, with the potential to maintain heat transfer performance. The seal whisker geometry consists of streamwise and spanwise undulations which reduce the size of the wake and coherent structures shed from the body; a result of an added component of streamwise vorticity along the pin surface. In addition, the vortex shedding frequency becomes less pronounced, leading to significantly reduced lateral loading on the modified cylinder. These whisker geometries are studied for their aero behavior but not from a thermal performance stand point. Hence the main objective of this study is to understand and utilize different flow physics of these whisker geometries in a wall bounded configuration. Computational studies have shown that the modified wake and vortex shedding structures resulting from the geometry tend to reduce the total pressure loss throughout the system without significantly degrading the cooling levels and experimental results agree with these findings. In comparison to a conventional elliptical pin the bio pins have an increase in thermal performance at constant pressure drop by 9% and by 45% in comparison to a conventional cylindrical pin. These findings are important to the gas turbine community and heat exchangers as reduced penalties associated with cooling flows directly translate to improved thermodynamic and propulsive efficiencies

DYSREGULATION OF CALCIUM SIGNALING IN PHOTORECEPTOR SYNAPSES OF EAE MICE, A MULTIPLE SCLEROSIS ANIMAL MODEL

Ribbon synapses are specialized chemical synapses. Unlike conventional chemical synapses, they remain continuously active, responding tonically in a graded fashion to varying strengths of the relevant stimuli, over a broad range of intensities. Sustained continuous vesicle release in ribbon synapses is ascribed to a special electron-dense presynaptic structure, called the ribbon. In photoreceptor ribbon synapses light-induced changes in membrane potential are transformed into graded continuous neurotransmitter release. The main building component of the synaptic ribbon is the protein RIBEYE. The ribbon is anchored at the active zone and associated with many release-ready vesicles. Depolarization-induced opening of Cav channels, at the active zone, triggers synaptic vesicle exocytosis and the subsequent release of neurotransmitter contents into the synaptic cleft. Various active zone proteins, including the RIMs, control Cav channel localization and function. ER-resident SERCA pump and plasma membrane-resident Ca2+ ATPases (PMCAs) play a crucial role in maintaining Ca2+ homeostasis in the presynaptic terminal by extruding elevated Ca2+ levels from the cytosol in an ATP-dependent manner. Ca2+ homoestasis is important for controlling the basal sustained neurotransmitter release at ribbon synapses. Multiple sclerosis (MS) is a severe neuroinflammatory, degenerative disease of the central nervous system (CNS), in which the immune system attacks the myelin sheath of myelinated axons, leading to demyelination. However, the damage is not restricted to white matter alone. Evidences of early grey matter cortical lesions in the brain and retinal layer thinning indicate a more complex immunopathology. The retina is also an unmyelinated tissue. Experimental autoimmune encephalitis (EAE), a well established mouse model of MS, shows retinal ganglion cell death and retinal nerve fibre layer (RNFL) thinning in its preclinical stage. Interestingly Dembla et al., 2018 observed a significantly decreased synaptic vesicle cycling in photoreceptor synapses in EAE mice at a pre-clinical phase. Since Ca2+ ions play a crucial role in synaptic vesicle cycling, I analysed for possible malfunctions in Ca2+ signaling in photoreceptor ribbon synapses of EAE mice in its preclinical stage. Immunofluorescence assay of Cav1.4 α1F, the pore forming subunit, show decreased fluorescence intensity at photoreceptor synapses in the OPL of MOG/CFA (EAE) mice retinal sections in comparison to control sections with no significant reduction in the number of punctas in a defined length of the OPL. However, the average size of the Cav punctas in EAE was significantly smaller as judged by super-resolution structured illumination microscopy (SR-SIM). Similar results were also obtained for the β subunits of Cav1.4 channels. These findings indicate that although the number of Cav channel clusters remain unaltered in EAE preclinical phase, the number of channels in each cluster decrease. Western blot analyses using CFA and MOG/CFA mice retinal lysates showed similar levels of α1F protein in the two groups, implying that it is clustering of the Cav1.4 channels, which is primarily affected and not the total expression of the Cav protein. Interestingly Cavβ2 shows a significant reduction in EAE in Western blot analyses. Recent studies show that β subunits can also operate as a separate entity independent of the other Cav subunits, which might explain the different changes of Cav1.4 alpha and beta relative to each other. Immunofluorescence assay for RIMs that are crucially important for Cav channel localization and regulation showed a similar finding as the Cav1.4 proteins. RIM2 immunosignals (at the active zone of photoreceptor synapses) exhibited a highly significant reduction in their intensities in MOG/CFA photoreceptor synapses with the count for the number of punctas remaining unchanged compared to the control (CFA). Western blot analyses also exhibited a highly significant loss in total protein content of RIMs 1 and 2 in EAE retinal lysates. Thus, Cav channels and their regulators, RIMs, both are found to be adversely affected in photoreceptor synapses of EAE mice at a preclinical stage. Ca2+ influx measurements in CFA and MOG/CFA retinal slices using FURA2-AM, showed that depolarization-evoked Ca2+ influx at the OPL in MOG/CFA slices was reduced in amplitude and slowed in kinetics of Ca2+ increase. During my Fura2 imaging studies, I found additional alterations of Ca2+ homeostasis. The basal Ca2+ concentrations were elevated in preclinical EAE mice photoreceptor synapses. To find possible mechanisms for the increased basal Ca2+, I analyzed key components of Ca2+ extrusion mechanisms in photoreceptor terminals. PMCA2, the more efficient PMCA isoform with higher Ca2+ affinity, showed a significant reduction in its synaptic expression in EAE retina. The decreased synaptic expression of PMCA2 could result in a decreased cytosolic Ca2+ clearance and thus to the observed increase in basal Ca2+. PMCA1 and another protein PSD95, a photoreceptor presynaptic marker for synaptic integrity, remained unaltered in immunofluorescence studies. Thus, in preclinical phase of EAE, synaptic Ca2+ signaling is affected at various levels and could contribute to the recently discovered dysfunctions of synaptic vesicle cycling.Ribbonsynapsen sind spezialisierte chemische Synapsen. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Synapsen sind sie kontinuierlich aktiv und reagieren über eine enorme Bandbreite an Reizintensitäten mit graduierten Antworten. Die Fähigkeit zur kontinuierliche Vesikelfreisetzung der Ribbonsynapsen wird einer speziellen elektronendichten präsynaptischen Struktur, dem sogenannten Ribbon, zugeschrieben. In Photorezeptorribbonsynapsen werden lichtinduzierte Änderungen des Membranpotentials in abgestufte kontinuierliche Neurotransmitterfreisetzung umgewandelt. Der Hauptbestandteil des Ribbons ist das Protein RIBEYE. Der Ribbon ist in der aktiven Zone verankert und mit vielen, Freisetzungskompetenten Vesikeln verbunden. Die durch Depolarisation induzierte Öffnung von Cav- Kanälen in der aktiven Zone löst die Exozytose aus und setzt Neurotransmitter aus den synaptischen Vesikeln in den synaptischen Spalt frei. Verschiedene Proteine der aktiven Zonen, einschließlich der RIM-Proteine, steuern die Lokalisierung und Funktion dieser Cav Kanälen. Weiterhin spielen eine am ER-befindliche SERCA-Pumpe und in der Plasmamembran lokalisierte Ca2+-ATPasen (PMCAs) eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Ca2+ -Homöostase in der präsynaptischen Terminale. PMCA’s schleusen Ca2+ ATP-abhängig aus der präsynaptischen Terminale. Die Aufrechterhaltung der Ca2+ Homöostase ist für die Steuerung der basalen verzögerten Freisetzung an den Ribbonsynapsen wichtig. Die Multiple-Sklerose (MS) ist im Wesentlichen eine neuroinflammatorische, degenerative Erkrankung des Zentralnervensystems (ZNS), bei der das Immunsystem die Myelinscheide von Axonen angreift, was zu der Demyelinisierung der Axone führt. Der Schaden ist jedoch nicht ausschließlich auf die weiße Substanz des ZNS beschränkt. Wachsende Hinweise auf frühe Schädigungen der grauen Substanz, wie z.B. kortikale Gehirnläsionen oder die Dickenabnahme der Netzhautschichten deuten auf eine deutlich komplexere Immunopathologie hin. Die Netzhaut ist ein nicht-myelinisierter Abschnitt des ZNS. Die experimentelle autoimmune Encephalomyelitis (EAE), ein gut etabliertes Mausmodell für MS, zeigt das Absterben retinaler Ganglienzellen und das Ausdünnen der RNFL (retinalen Nervenfaserschicht) bereits in der präklinischen Phase. Interessanterweise beobachteten Dembla et al., 2018 , einen signifikant verringerten synaptischen Vesikelzyklus in Photorezeptor-Synapsen von EAE-Mäusen in der vorklinischen Phase. Da Ca2+ Ionen eine entscheidende Rolle beim synaptischen Vesikelzyklus spielen, untersuchte ich mögliche Störungen des Ca2+ Signals in Photorezeptor-Synapsen von EAE-Mäusen im präklinischen Stadium.Immunfluoreszenzuntersuchungen der porenbildenden Kanaluntereinheit Cav1.4 α1F zeigten verringerte Immunsignale in Netzhautschnitten von behandelten (MOG/CFA) im Vergleich zu solchen von Kontrolltieren (CFA alleine), wobei die Anzahl der Immunsignale je gegebener Länge OPL unverändert war. Wie durch hochauflösende strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SR-SIM) gezeigt werden konnte, war die durchschnittliche Größe der Cav Immunsignale unter EAE-Bedingungen signifikant geringer, als die der Kontrolltiere. Ähnliche Ergebnisse wurden auch für die β Untereinheiten der Cav1.4-Kanälen erhalten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Anzahl der Cav Kanal-Cluster in der präklinischen Phase der EAE unverändert bleibt, die Anzahl der Kanäle in dem Cluster jedoch abnimmt. Western-Blot-Analysen von Retina-Lysaten der CFA und MOG/CFA-Mäusen zeigten vergleichbare Mengen an α1F-Protein in den beiden Gruppen. Dies deutet darauf hin, dass weniger die Proteinexpression (gleiche Menge an Gesamtprotein) als vielmehr die Clusterbildung der Cav1.4 Kanäle betroffen ist. Im Gegensatz dazu zeigten Western Blot Analysen der Cavβ2-Untereinheit eine deutlich reduzierte Proteinmenge unter EAE-Bedingungen. Neuere Studien zeigen , dass die Cavβ2-Untereinheiten auch als eigenständige Einheit unabhängig von den anderen Cav-Untereinheiten, arbeiten kann, was möglicherweise die. Unterschiede in derim Gesamtproteingehalt von Cav1.4α und Cavβ2 relativ zueinander unter EAE-Bedingungen erklärt. Immunfluoreszenzuntersuchungen der RIM Proteine, die für die Lokalisierung und Regulation von Cav Kanälen von entscheidender Bedeutung sind, führten zu ähnliche Ergebnisse wie für die Cav1.4-Proteine gezeigt. RIM2-Immunsignale (in der aktiven Zone der Photorezeptor-Synapsen) zeigten eine sehr signifikante Verringerung ihrer Intensitäten in MOG/CFA-Photorezeptor-Synapsen, wobei die Anzahl der Signale gegenüber der Kontrolle (CFA) unverändert blieb. Western-Blot-Analysen zeigten eine sehr deutliche Reduktion des Gesamtproteingehalts an RIMs 1 und 2 in EAE-Retina-Lysaten. Somit konnte ich zeigen, dass sowohl die Cav Kanäle als auch ihre Regulatoren, die RIMs, beide bereits in der vorklinischen EAE Phase nachteilig beeinflusst werden. Ca2+-Messungen mittels FURA2AM in CFA- und MOG/CFA-Retina-Schnitten zeigten, dass der durch Depolarisation hervorgerufene Ca2+-Einstrom in der OPL von MOG/CFA Retina-Schnitten in der Amplitude verringert war und die Kinetik des Ca2+ Anstiegs reduziert war. Während meiner Fura2-Untersuchungen fand ich zusätzliche Veränderungen der Ca2+-Homöostase. Die basalen Ca2+-konzentrationen waren bei präklinischen EAE-Mäuse-Photorezeptor-Synapsen erhöht. Um mögliche Mechanismen für das erhöhte Basal Ca2+ zu finden, analysierte ich Schlüsselkomponenten der Ca2+-Extrusionsmechanismen in Fotorezeptorendgeräten. PMCA2, die effizientere PMCA-Isoform mit höherer Ca2+ Affinität, zeigte eine signifikante Reduktion der synaptischen Expression in der EAE-Retina. Die verminderte synaptische Expression von PMCA2 könnte zu einer verminderten zytosolischen Ca2+-Clearance und damit zu einer beobachteten Erhöhung des Basal Ca2+ führen. PMCA1 und ein anderes Protein PSD95, ein präsynaptischer Photorezeptor-Marker für die synaptische Integrität, blieb in Immunfluoreszenzstudien unverändert. In der präklinischen Phase der EAE können die gestörten Ca2+-Signale zu den kürzlich entdeckten Funktionsstörungen des synaptischen Vesikelzyklus beitragen