Einfluss des humanen Intermediate Conductance K+-Channel hIK1 auf die Ca2+-Homöostase in menschlichen Keratinozyten

Die Haut des Menschen erfüllt eine Vielzahl an Aufgaben, dabei ist die ausgewogene Balance von Proliferation und Differenzierung ihrer Zellen wesentliches Element einer intakten Funktion. Durch die hohe Zellteilungsrate im Stratum basale gelangen die Keratinozyten in oberflächlich gelegene Schichten der Haut, wobei sie einen Differenzierungsprozess durchlaufen. Wie in vielen Geweben, wird Ca2+ in seiner Eigenschaft als Second Messenger auch in diesem Zusammenhang eine wichtige Bedeutung zugemessen. Eine Reihe von Untersuchungen hat in der Vergangenheit gezeigt, dass jedoch nicht nur Calciumsignale, sondern auch die intra- und extrazellulären K+-Konzentrationen ein wichtiges Regulativ epidermaler Differenzierung darstellen. Darüber hinaus ist bekannt, dass 5-Adenosintriphosphat (ATP) einen Effekt auf die Keratinozytenbiologie hat. Die Bindung von ATP an seinen P2Y2-Rezeptor führt zur Phospholipase Cγ-abhängigen Generierung von Inositoltriphosphat (InsP3). InsP3 seinerseits führt zur Entleerung von Ca2+ aus dem Endoplasmatischen Retikulums (ER) in das Zytosol. Die geringe Ca2+-Konzentration im ER aktiviert den „Store-Operated-Ca2+-Entry“. Vorarbeiten zeigten anhand von RNAse-Protection-Assays und elektrophysiologischen Messungen, dass HaCaT-Zellen, eine spontan immortalisierte Keratinozytenlinie, über den Ca2+-aktivierten intermediär leitenden K+-Kanal hIK1 verfügen. Paradoxerweise kam es nach verlängerter Inkubation (> 3 h) mit dem pharmakologischen Aktivator dieses Kanals 1‑EBIO zu einer Herunterregulation des hIK1. Dies hatte weitgreifende Auswirkungen auf die Biologie dieser Zellen: sowohl die Proliferationsrate als auch die Expression von Differenzierungsmarkern sanken. Zudem war die hIK1-vermittelte Hyperpolarisation, die sonst nach der Applikation von ATP zu messen war, nicht weiter nachweisbar. Auch der charakteristische Verlauf des Ca2+-Transienten nach ATP-Applikation war ohne den hIK1-Kanal deutlich verändert. In der vorliegenden Arbeit standen zwei Punkte im Vordergrund: Lassen sich mit der konfokalen Laser-Scan-Mikroskopie die verschiedenen Komponenten der ATP-induzierten Ca2+-Transienten darstellen? Aus welchen Kompartimenten wird das Ca2+ für den Transienten rekrutiert und inwieweit tragen hIK1 und andere Kanäle zum Anstieg der [Ca2+]i bei? Darüber hinaus interessierte, inwieweit durch die Langzeitapplikation des hIK1-Öffners 1‑EBIO, der zur paradoxen Herunterregulation des hIK1 führt, die Ca2+-Homöostase der Hautzellen beeinträchtigt. Kann dies die Langzeiteffekte von 1‑EBIO auf Proliferation und Differenzierung der HaCaT-Keratinozyten erklären? Hierfür wurden HaCaT-Keratinozyten mit den calciumsensitiven Fluoreszenzfarbstoffen Calcium Green‑1 und Fura Red beladen. Die mit einem konfokalen Laser-Scan-Mikroskop gemessenen Fluoreszenzintensitäten wurden zu einem Quotienten verrechnet und auf den Ruhewert normiert. Für die ATP-induzierten Transienten wurden Amplitude, t0,1-, t0,5- und die „Area under the curve” (AUC) bestimmt. Dieses ratiometrische Maß für [Ca2+]i nahm in Kontrollzellen einen charakteristischen Verlauf: mit Beginn der ATP-Applikation stieg [Ca2+]i stetig und direkt auf einen Maximalwert an, um dann innerhalb von durchschnittlich 21 min wieder auf den Ruhewert abzufallen. Das Absinken von [Ca2+]i auf den Ruhewert war durch zwei typische Schultern gekennzeichnet. Der Amplitude wie auch die AUC dieses Transienten waren dabei dosisabhängig, wobei bei geringen Werten für ATP eine Alles-oder-Nichts-Reaktion zu beobachten war. Um zu ermitteln, aus welchen Kompartimenten die Zelle das Ca2+ für den Transienten rekrutiert, wurde der Versuch in Ca2+-freier Badlösung sowie in Anwesenheit von ZnCl2 – einem Blocker für Ca2+-Influx – wiederholt. Während die Amplitude im Vergleich zur Kontrolle unverändert blieb, kehrte [Ca2+]i in beiden Fällen bereits in weniger als zwei Minuten wieder auf basale Werte zurück (8,5 % bzw. 9,5 % der Kontrolle). In einer zweiten Reihe von Experimenten untersuchten wir den Effekt des hIK1 auf Gestalt und Dauer des Ca2+-Transienten. In Zellen, in denen der hIK1-Kanal durch Langzeit-Inkubation mit 1‑EBIO (1 mM) herunter reguliert war, kehrte der Transient in weniger als sechs Minuten (26 % der Kontrolle) auf den Ruhewert zurück. Nun wurde der Versuch in Anwesenheit des selektiven hIK1-Blockers TRAM‑34 wiederholt. Der ATP-induzierte Ca2+-Transient unterschied sich in Verlauf und gemessenen Parametern nicht von dem der 1‑EBIO-behandelten Zellen. Um zu prüfen, ob es die hIK1-vermittelte Hyperpolarisation ist, die dem Transienten seine Form verleiht, wurde ATP bei hoher extrazellulärer Kaliumkonzentration appliziert. Wiederum war der Transient in der Dauer auf 34 % verkürzt, im Verlauf glich er wiederum dem Transienten in Zellen, deren hIK1-Aktivität pharmakologisch oder durch Herunterregulation geblockt war. Es ist bekannt, dass durch einfache Zugabe von 1‑EBIO (1 mM) die Membran von Hautzellen hyperpolarisiert. Unsere Experimente zeigten, dass ohne vorangehende Applikation von ATP [Ca2+]i lediglich leicht sinkt und für die Dauer der Perfusion mit 1‑EBIO einen stabilen Wert annahm. Möglicherweise werden durch das stärker negative Membranpotential [Ca2+]i-senkende Prozesse unterstützt, die während des ATP-induzierten Transienten maskiert sind. In der Zusammenschau der Befunde wird deutlich, dass sich das Ca2+ für der ersten Teil des Transienten nach der ATP-Applikation aus intrazellulären Kompartimenten rekrutiert. Der weitere Verlauf des Transienten ist abhängig vom Ca2+-Einstrom. In den Versuchen mit herunter reguliertem bzw. geblocktem hIK1-Kanal wurde zudem deutlich, dass es die hIK1-vermittelte Hyperpolarisation ist, die den Verlauf von [Ca2+]i entscheidend prägt. Die Verstärkung der treibenden Kraft unterstützt den Ca2+-Influx und zusätzlich eingeströmtes Ca2+ unterhält die Aktivierung des hIK1-Kanals im Sinne eines sich selbst erhaltenden Regelkreises. Der Umstand, dass durch die Anwesenheit intakter hIK1-Kanäle der Ca2+-Influx verstärkt und die Dauer von Calciumsignalen verlängert wird, ist eine mögliche Erklärung für die veränderte Biologie der 1‑EBIO behandelten Keratinozyten, wie sie zuvor beschrieben wurde. Die Ergebnisse aus dieser Arbeit geben zudem eine mögliche Erklärung für die Beobachtung verschiedener Autoren, nach denen nicht nur Ca2+, sondern auch K+ weitgreifende Bedeutung für die Biologie von Keratinozyten besitzt

Investigation of the material separation behaviour of rocks using scratch tests for the design of tool grinding processes

The use of natural rocks as cutting tool material poses an environmentally friendly alternative to conventional cutting tool materials. So far, however, the basics of tool grinding processes for rock tools have not been systematically investigated. This study, therefore, presents an investigation of the material removal mechanisms of four different types of rocks and a mono mineral via scratch tests analogous to a face plunge grinding process used in tool grinding. The aim is to contribute to a knowledge-based design of tool grinding processes for rock tools. This also includes a characterization of their mechanical properties. The occurring material removal mechanisms identified by SEM-images as well as width and depth of the scratches are used to evaluate the influence of single grain chip thickness and cutting speed on material removal mechanisms. The results show that ductile material removal is possible for all rocks in certain areas of single grain chip thicknesses ranging from 0.28 µm to 3.75 µm depending on the rock used and the applied cutting speed. Besides this, the results show optima for ductile material removal at single grain chip thicknesses that are up to 87-times higher than predicted by an analytical model. Additionally, recommendations for the design of the tool grinding process of the investigated rocks based on the obtained results are presented

Influence of the process parameters on the grinding result in continuous generating grinding of cutting tools

Continuous generating grinding processes have largely replaced discontinuous profile grinding processes in gear manufacturing due to their higher productivity. On order to transfer the advantage of the productivity benefits of this process to tool grinding, the continuous generating grinding was adapted to the manufacture of cutting tools. However, this novel approach of using continuous generating grinding processes for tool grinding has not been widely investigated. Therefore, the aim of this study is to investigate the influence of cutting speed, feed and radial depth of cut on the process result and thus to generate initial knowledge for the process design. Subsequently, the influence of these parameters on the grinding worm wear as well as on the cutting edge quality and surface properties of the ground milling tools are investigated. The results show that an increase of the radial depth of cut leads to a reduction of the process time by the factor of four without significantly influencing the wear of the grinding worm tooth. Furthermore, an increase of the cutting speed only leads to an increase in the initial wear of the grinding worm after the dressing process. For this reason, the cutting speed offers the potential to further increase the productivity of the process. The microgeometry of the cutting edge of the ground milling tool is mainly affected by the feed and the macro geometry by the feed and radial depth of cut

Geometrical process design during continuous generating grinding of cutting tools

Modern cutting tools like end mills, drilling tools, and reamers underlie high requirements regarding geometrical accuracy, cutting edge quality, and production costs. However, the potential for process optimization is limited due to the process kinematics during grinding. Consequently, a novel tool grinding process for the manufacture of cutting tools has been developed recently at the Institute for Production Engineering and Machine Tools (IFW). This continuous generating grinding process allows the simultaneous production of all flutes and circumferential flank faces of rotational symmetrical cutting tools. The present paper focuses on the geometrical process design and develops a method to determine the necessary basic rack and process parameters in order to create a desired cutting edge geometry by continuous generating grinding. The developed method can define all parameters with an accuracy of up to 5 µm and 0.2° within a simulation in five iteration steps and allows not only the quantitative design of the cutting tool geometry but a qualitative modification of the flute geometry as well. Subsequently performed grinding tests showed that the presented method allows the design of grinding worms for continuous generating grinding of cutting tools and enables the successful implementation of these processes

Design of tool grinding processes for indexable inserts made of rocks

Using natural rocks as alternative cutting tool material poses a possibility to meet actual environmental, economic and geopolitical challenges. The present state of knowledge, however, is not sufficient to allow a knowledge-based design of the tool grinding process of cutting tools made of rock. For this reason, this study presents an investigation of the significance of the grinding process parameters and grinding tool specifications for the flank face and cutting edge roughness as well as for the cutting edge microgeometry besides an analysis of the scatter of the grinding results in tool grinding of rock inserts. Thus, the study contributes to a knowledge-based design of tool grinding processes of rock tools. In this context, confocal and focus variation microscopes are used besides SEM images to investigate the above mentioned factors in the plunge face grinding of rock inserts from five different rocks. The results identify the axial feed velocity of the plunge face grinding process as a highly significant influence factor for cutting edge roughness and microgeometry, while cutting speed only shows a significant influence on cutting edge microgeometry. Besides that, highly significant influences of the used rock type and the abrasive grain size are identified for all three mentioned factors. Grinding result analyses show a scatter between 0.04 and 25.00 µm depending on the parameter and rock investigated. Additionally, recommendations for the design of the tool grinding process of rock tools are presented deduced from the obtained results

Verringerte Herzfrequenzvariabilität und Repolarisationsstörungen bei bilateral tonisch-klonischen Anfällen

Einleitung Bilateral tonisch-klonische Anfälle (BTKA) sind nach heutiger Kenntnis der wichtigste Risikofaktor für das Auftreten eines SUDEP. Chronische und im Anfall akut auftretende Veränderungen des vegetativen Nervensystems sowie in der Erregungsbildung und –leitung des Herzens sind bei Menschen mit Epilepsie gut dokumentiert. Wir untersuchten die periiktalen Veränderungen der Herzaktion bei bilateral tonisch-klonischen Anfällen im Vergleich zu komplex-fokalen Anfällen (KFA). Methoden Am Epilepsiezentrum Hessen in Marburg wurden retrospektiv alle Patienten aus dem Video-EEG-Monitoring (VEM) ausgewertet, bei denen zwischen 2007 und 2015 sowohl bilateral tonisch-klonische als auch komplex-fokale Anfälle aufgezeichnet worden waren. Weitere Selektionskriterien waren die Diagnose einer fokalen Epilepsie und das vollständige Vorliegen einer kontinuierlichen 2-Kanal-EKG-Ableitung. Die Anfälle wurden jeweils 10 Minuten vor Beginn des Anfalles im EEG bis 30 Minuten nach EEG-Anfallsende untersucht. Außerdem wurde die Herzfrequenzvariabilität (HRV) zu zwei interiktalen Zeitpunkten (morgens im Schlaf und im Wachen) bestimmt. Ergebnisse Insgesamt konnten 50 Patienten (mittleres Alter 35,3 Jahre, 50% weiblich) mit einer fokalen Epilepsie (64% temporale Epilepsie, 36% extratemporale Epilepsie) eingeschlossen werden, die die oben genannten Kriterien erfüllten. Bei den bilateral tonisch-klonischen Anfällen zeigte sich iktal eine im Vergleich höhere Herzfrequenz, zudem eine postiktal für 30 Minuten fortbestehende Tachykardie. Nach den bilateral tonisch-klonischen Anfällen zeigte sich eine signifikant verringerte Herzfrequenzvariabilität (HRV). Darüber hinaus stellten wir im interindividuellen Vergleich eine deutliche Verkürzung der QTc-Zeit in den unmittelbar postiktalen Messungen, d.h. eine Minute nach einem bilateral tonisch-klonischen Anfall, fest. Diskussion Eine verringerte Herzfrequenzvariabilität und insbesondere eine verkürzte QTc-Zeit stellen jeweils unabhängige Risikofaktoren für einen plötzlichen Herztod dar. In den bislang berichteten Fällen konnte bei Patienten mit einem SUDEP eine unmittelbar postiktal zentral-vegetativ vermittelte Störung der Atmung und Herzaktion beobachtet werden, in deren Folge es zum plötzlichen Tod kam. Die vorliegenden Daten zeigen eine postiktal vorliegende Störung der parasympathischen Innervation sowie der kardialen Repolarisation und verdeutlichen einmal mehr die entscheidende Bedeutung von bilateral tonisch-klonischen Anfällen für das Auftreten eines SUDEP

Gyrokinetic simulations of neoclassical electron transport and bootstrap current generation in tokamak plasmas in the TRIMEG code

For magnetic confinement fusion in tokamak plasmas, some of the limitations to the particle and energy confinement times are caused by turbulence and collisions between particles in toroidal geometry, which determine the "anomalous" and the neoclassical transport, respectively. In this work, we focus on the implementation of neoclassical physics in the gyrokinetic code TRIMEG, which is a TRIangular MEsh-based Gyrokinetic code that can handle both the closed and open field line geometries of a divertor tokamak. We report on the implementation of a simplified Lorentz collision operator in TRIMEG. Since the code uses an unstructured mesh, a procedure for calculating the flux surface averages of particle and energy fluxes and the bootstrap current is derived without relying on the poloidal coordinate, which is useful also for other simulations in unstructured meshes. With the newly implemented collision operator, we study electron transport and bootstrap current generation for various simplified and realistic geometries. In comparison to neoclassical theory, good agreement is obtained for the large aspect ratio case regarding the particle and energy fluxes as well as the bootstrap current. However, some discrepancies are observed at moderate aspect ratio and for a case with the realistic geometry of the ASDEX Upgrade tokamak. These deviations can be explained by different treatments and approximations in theory and simulation. In this paper, we demonstrate the capability to calculate the electron transport and bootstrap current generation in TRIMEG, which will allow for the self-consistent inclusion of neoclassical effects in gyrokinetic simulations in the future

Standardized Loads Acting in Hip Implants

With the increasing success of hip joint replacements, the average age of patients has decreased, patients have become more active and their expectations of the implant durability have risen. Thus, pre-clinical endurance tests on hip implants require defining realistic in vivo loads from younger and more active patients. These loads require simplifications to be applicable for simulator tests and numerical analyses. Here, the contact forces in the joint were measured with instrumented hip implants in ten subjects during nine of the most physically demanding and frequent activities of daily living. Typical levels and directions of average and high joint loads were extracted from the intra- and inter-individually widely varying individual data. These data can also be used to analyse bone remodelling at the implant-bone interface, evaluate tissue straining in finite element studies or validate analytical loading predictions, among other uses. The current ISO standards for endurance tests of implant stems and necks are based on historic analytical data from the 1970s. Comparisons of these test forces with in vivo loads unveiled that their unidirectional orientations deviate from the time-dependent in vivo directions during walking and most other activities. The ISO force for testing the stem is substantially too low while the ISO force for the neck better matches typical in vivo magnitudes. Because the magnitudes and orientations of peak forces substantially vary among the activities, load scenarios that reflect a collection of time-dependent high forces should be applied rather than using unidirectional forces. Based on data from ten patients, proposals for the most demanding activities, the time courses of the contact forces and the required cycle numbers for testing are given here. Friction moments in the joint were measured in addition to the contact forces. The moment data were also standardized and can be applied to wear tests of the implant. It was shown that friction only very slightly influences the stresses in the implant neck and shaft

Tool wear when using natural rocks as cutting material for the turning of aluminum alloys and plastics

The growing challenges regarding climate-neutral and resource-saving manufacturing technology is forcing research and development to work out new cutting tool alternatives since the production of conventional cutting materials requires rare raw materials and huge amounts of energy. Natural rocks could be such an alternative since they are available in large quantities worldwide, have a potentially suitable property profile, and do not require energy-intensive processes to make them usable as cutting material. However, according to the current state of knowledge, there are only a few studies on the usability and suitability of natural rocks as cutting materials for machining processes. Therefore, in this article, inserts made of natural rocks are ground and used in turning operations. Their operational behavior is then described by the occurring tool wear and workpiece surface roughness. The influence of different natural rocks, process parameters as well as cutting edge microgeometries is compared after the machining of aluminum alloys and plastic. In the end, this made it possible to define process and tool properties in which natural rocks have application potential

Reduction of energy input in wire arc additive manufacturing (WAAM) with gas metal arc welding (GMAW)

Wire arc additive manufacturing (WAAM) by gas metal arc welding (GMAW) is a suitable option for the production of large volume metal parts. The main challenge is the high and periodic heat input of the arc on the generated layers, which directly affects geometrical features of the layers such as height and width as well as metallurgical properties such as grain size, solidification or material hardness. Therefore, processing with reduced energy input is necessary. This can be implemented with short arc welding regimes and respectively energy reduced welding processes. A highly efficient strategy for further energy reduction is the adjustment of contact tube to work piece distance (CTWD) during the welding process. Based on the current controlled GMAW process an increase of CTWD leads to a reduction of the welding current due to increased resistivity in the extended electrode and constant voltage of the power source. This study shows the results of systematically adjusted CTWD duringWAAM of low-alloyed steel. Thereby, an energy reduction of up to 40% could be implemented leading to an adaptation of geometrical and microstructural features of additively manufactured work pieces