Creeping motion of a solid particle inside a spherical elastic cavity. II. Asymmetric motion

An analytical method is proposed for computing the low-Reynolds-number hydrodynamic mobility function of a small colloidal particle asymmetrically moving inside a large spherical elastic cavity, the membrane of which is endowed with resistance toward shear and bending. In conjunction with the results obtained in the first part [Daddi-Moussa-Ider, L\"{o}wen, and Gekle, Eur. Phys. J. E 41, 104 (2018)], in which the axisymmetric motion normal to the surface of an elastic cavity is investigated, the general motion for an arbitrary force direction can be addressed. The elastohydrodynamic problem is formulated and solved using the classic method of images through expressing the hydrodynamic flow fields as a multipole expansion involving higher-order derivatives of the free-space Green's function. In the quasi-steady limit, we demonstrate that the particle self-mobility function of a particle moving tangent to the surface of the cavity is larger than that predicted inside a rigid stationary cavity of equal size. This difference is justified by the fact that a stationary rigid cavity introduces additional hindrance to the translational motion of the encapsulated particle, resulting in a reduction of its hydrodynamic mobility. Furthermore, the motion of the cavity is investigated, revealing that the translational pair (composite) mobility, which linearly couples the velocity of the elastic cavity to the force exerted on the solid particle, is solely determined by membrane shear properties. Our analytical predictions are favorably compared with fully-resolved computer simulations based on a completed-double-layer boundary integral method.Comment: 14 pages, 4 figures. This is a pre-print of an article published in The European Physical Journal E. The final authenticated version is available online at: https://doi.org/10.1140/epje/i2019-11853-

Die habituelle Gehgeschwindigkeit als Indikator für Veränderungen der funktionellen und kognitiven Fähigkeiten bei Menschen mit Demenz

Explizit widmete sich die vorliegende Arbeit den nachfolgenden Fragestellungen: Ist die Gehgeschwindigkeit bei Demenzkranken ein veränderungssensitives Maß, d.h., lässt sich ein Cut-off für eine bedeutende Veränderung der Geschwindigkeit über die Zeit identifizieren? Hat die bedeutende Veränderung der Gehgeschwindigkeit einen signifikanten Einfluss auf die globale Kognition, die funktionellen Fähigkeiten, die Lebensqualität und die nicht-kognitive Symptomatik bei stationär versorgten Demenzkranken? Wirken sich die körperliche Aktivität respektive die körperliche Inaktivität auf die Beziehung zwischen Gehgeschwindigkeit und globaler Kognition sowie funktionellen Fähigkeiten aus? Die vorliegende Arbeit entstand vor dem Hintergrund des Gesamtevaluationsprojektes zur Prüfung der Wirksamkeit der Implementierung des Qualitätsniveaus I. bei Menschen mit Demenz in stationärer Pflege. In die Gesamtevaluation wurden insgesamt 2.128 Bewohner eingeschlossen. Zusätzlich wurde eine vertiefende prospektive Beobachtung an 296 Bewohnern mit Demenz durchgeführt, die zufällig aus der Gesamtzahl an Bewohnern ausgewählt wurde. Für die vorliegende Studie wurden im Sinne einer Sekundäranalyse 101 Bewohner aus der vertiefenden prospektiven Beobachtungsstudie extrahiert. Einschlusskriterien für die Sekundäranalyse waren das Vorliegen von Demenzsymptomatik anhand der Dementia Screening Scale und Gehfähigkeit zur Baseline und Follow-up. Das Follow-up erfolgte durchschnittlich 16 Monaten nach der Baseline. Zur Messung der Outcomes kamen folgende Instrumente zur Anwendung, die von Bezugspflegekräften eingeschätzt wurden: Rivermead Mobility-Index zur Messung der funktionell-mobilitätsbezogenen Fähigkeiten, Quality of Life in Late-Stage Dementia zur Beurteilung der Lebensqualität und das Neuropsychiatrische Inventar zur Messung der Schwere und Häufigkeit nicht-kognitiver Symptomatik. Die globale Kognition wurde mittels Strukturiertem Interview zur Demenzdiagnostik direkt am Bewohner erfasst. Das strukturierte Interview enthielt den Mini Mental Status Test. Außerdem wurde während der 16 Monate monatlich ein Mobilitäts-Check auf der Basis des Rivermead Mobility-Index durchgeführt. Zu beiden Messzeitpunkten wurde die Gehgeschwindigkeit ermittelt und die körperliche Aktivität mit einem Beschleunigungssensor aufgezeichnet. Dazu wurden die Durchschnittswerte der Gehaktivitäten (Anzahl an Schritten, Inaktivitätszeit und Zeit mit moderater Gehintensität jeweils in Minuten) von drei aufeinanderfolgenden Tagen ausgewertet. Mittels einer Kriteriums-basierten Methode wurde die Responsivität für die Veränderung der Gehgeschwindigkeit berechnet (Ermittlung des kleinsten (klinisch) bedeutsamen Unterschieds). Der identifizierte Cut-off, der eine bedeutende Änderung der Gehgeschwindigkeit anzeigen sollte, wurde zur Trennung des Samples in Bewohner mit einer bedeutenden Abnahme und geringen Abnahme der Gehgeschwindigkeit herangezogen. Auf dieser Grundlage wurden alle statistischen Testungen für die Outcomes durchgeführt. Als Testverfahren zur Prüfung des Einflusses des Cut-offs auf die monatlichen Veränderungen der Mobilitäts-Checks wurde ein multivariates Modell mit Messwiederholungen herangezogen. Zur Prüfung des Einflusses des Cut-offs auf die verbleibenden Outcomes, die zweimalig zur Baseleine und zum Follow-up gemessen wurden, wurden multivariate verallgemeinerte lineare gemischte Modelle gerechnet. Als Kovariaten dienten Alter, Geschlecht, Ausmaß an Beeinträchtigung der Alltagsaktivitäten, Demenzschweregrad, Messzeitpunkte, Vorliegen depressiver Symptomatik und Teilnahme an der Implementierung des Qualitätsniveaus I. Die Mediator-Analysen für die kognitiven und funktionellen Outcomes wurden unter Berücksichtigung der Bewegungsaktivitäten mittels Ordinary Least Square Pfad-Analysen durchgeführt. Der Cut-off zur Identifikation einer bedeutenden Abnahme der Gehgeschwindigkeit im Beobachtungszeitraum lag bei 0,07 m/s mit einer Fläche unterhalb der Receiver Operating Characteristics Kurve von 0,71, einer Sensitivität von 0,77 und Spezifität von 0,64. Anhand des Cut-offs konnten 63 Bewohner identifiziert werden, die eine bedeutende Abnahme der Gehgeschwindigkeit aufwiesen. D.h., deren Gehgeschwindigkeit reduzierte sich über die Zeit um mindestens 0,07 m/s. Die verbleibenden 38 Bewohner wurden der Gruppe mit einer geringen Abnahme der Gehgeschwindigkeit zugewiesen, weil sich deren Geschwindigkeit um weniger als 0,07 m/s im Beobachtungszeitraum reduzierte. In der Gruppe mit einer bedeutenden Abnahme der Gehgeschwindigkeit waren zur Baseline einzig die Häufigkeiten des Vorliegens eines neuropsychiatrischen Syndroms und depressiver Symptomatik höher als in der anderen Gruppe. Ansonsten unterschieden sich die beiden Gruppen hinsichtlich soziodemographischer, krankheits- und pflegespezifischer Charakteristika nur unbedeutend voneinander. Das Ausmaß an alltäglichen Bewegungsaktivitäten war bei Pflegeheimbewohner mit Demenz zu beiden Messzeitpunkten äußerst gering; das Ausmaß an Inaktivität dementsprechend sehr hoch. Das Gros der Bewohner wies ein körperliches Aktivitätsniveau auf, welches sich unterhalb der definierten Grenzwerte für gesunderhaltende Effekte älterer Menschen bewegte. Nach 16 Monaten ließen sich sowohl eine Zunahme der Inaktivitätszeit als auch eine Abnahme der alltäglichen Bewegungsaktivitäten beobachten. Die Gruppe mit einer bedeutenden Abnahme der Gehgeschwindigkeit unterschied sich in allen Bewegungsparametern signifikant von der Gruppe mit einer geringen Abnahme. Anhand multivariater Testungen konnte ein signifikant schlechterer Verlauf der monatlich gemessenen funktionellen Fähigkeiten in der Gruppe mit einer bedeutenden Abnahme der Gehgeschwindigkeit nachgewiesen werden. Diese signifikante Reduktion der funktionellen Fähigkeiten bestätigte sich ebenfalls im multivariaten verallgemeinerten gemischten linearen Modell. Ebenfalls konnten anhand dieser Modelle bedeutende Veränderungen zwischen den Gruppen für die globalen kognitiven Fähigkeiten, die Lebensqualität und die nicht-kognitive Symptomatik festgestellt werden. Die negativen Veränderungen, d.h. die Abnahme der Leistungsfähigkeit bezogen auf die globale Kognition und die funktionellen Fähigkeiten sowie die Abnahme der Lebensqualität und die Zunahme der nicht-kognitiven Symptomatik setzten sich ausschließlich in der Gruppe der Bewohner mit einer bedeutenden Abnahme der Gehgeschwindigkeit fort. Hingegen waren diese Verläufe bei den Bewohnern mit einer geringen Abnahme der Gehgeschwindigkeit weitaus weniger gravierend bzw. die negativen Veränderungen blieben aus. Anhand multivariater Pfad Analysen konnte ausschließlich für die funktionellen Fähigkeiten festgestellt werden, dass das Ausmaß an Inaktivität den Effekt der Abnahme der Gehgeschwindigkeit auf ein nicht signifikantes Niveau reduzierte. Dabei wurde der Mediationspfad der Inaktivität signifikant. Die globale Kognition wurde einzig durch die Abnahme der Gehgeschwindigkeit signifikant beeinflusst. Die hier berechneten Werte für die Präzision (Standardmessfehler und kleinster nachweisbarer Unterschied) der Gehgeschwindigkeit bei Menschen mit Demenz stimmen genau mit berichteten Werten aus der Literatur überein. Es wurde festgestellt, dass ein Verlust der Gehgeschwindigkeit von 7 cm/s (0,07 m/s) und mehr im Untersuchungszeitraum als bedeutende Abnahme angesehen werden konnte. Die Responsivität (kleinster bedeutende Unterschied) der Gehgeschwindigkeitsänderung ist ausreichend hoch, wobei die ermittelte Falsch-Positiv Rate nicht zu vernachlässigen ist. Dennoch zeigt sich, dass das Klassifikationsmaß (Cut-off) von 0,07 m/s ausgezeichnet mit den Verläufen der funktionellen und kognitiven Fähigkeiten einhergeht. Hier werden demnach Prozesse beschreibbar, wonach die davon betroffenen Menschen mit Demenz einen fortschreitenden Verlust der Autonomie bzw. eine vollständige Abhängigkeit hinnehmen müssen. Diese Prozesse sind begleitet durch eine Verschlechterung der Lebensqualität und der nicht-kognitiven Symptomatik. Darüber hinaus ist eine bedeutende Abnahme der Gehgeschwindigkeit mit einer gravierenden Erhöhung der Inaktivitätszeit verbunden. Eine hohe Inaktivität wiederum wirkt sich reduzierend auf die funktionellen Fähigkeiten aus. Bei Bewohnern mit Demenz, bei denen keine oder nur eine geringe Abnahme der Gehgeschwindigkeit zu verzeichnen sind, scheinen sich alle oben genannten Prozesse nicht oder nur unterschwellig fortgesetzt zu haben. Ein möglicher Grund für diese unterschiedlichen Verläufe könnte mit den stark erhöhten energetischen Kosten des Gehens verbunden sein, die durch die zunehmende Ineffizienz der afferenten und efferenten Bahnen der Gehirn-Muskel-Verbindungen und der fortschreitenden Dysregulationen der motorischen Kontrolle im Kleinhirn und präfrontalen Kortex bei Demenzkranken auftreten. Die hohen energetischen Kosten treffen auf eine reduzierte Energieverfügbarkeit, wobei sich automatisch die Energieeffizienz verschiebt. Das bedeutet, es müssen prozentual gesehen mehr Energieressourcen bereitgestellt werden, um Gehaktivitäten auszuführen. Dadurch, dass sich der Körper unbedingt vor einer Verschwendung der Energie schützt, die insbesondere das autonome System angreifen könnte, werden über zentralnervöse Regelkreise diese Energieressourcen einbehalten. Das limitiert die Gehfähigkeit, sprich reduziert die Gehgeschwindigkeit und verringert die körperlichen Aktivitäten, sprich erhöht die Inaktivität. Dieser Teufelskreis verringert die funktionellen und motorischen Fähigkeiten, limitiert die Alltagsaktivitäten und begrenzt fortlaufend den sozialen Interaktionsradius der Demenzkranken. Das führt zu einer Abnahme der Lebensqualität. Um diesen Teufelskreis zu durchbrechen und weitere Dekompensationen zu verhindern, ist es unbedingt notwendig, dass kontinuierliche Bewegungsprogramme für Demenzkranke in stationären Einrichtungen etabliert werden. Diese Bewegungsprogramme sind an die Empfehlungen zur Gesunderhaltung älterer Menschen auszurichten

Membrane penetration and trapping of an active particle

The interaction between nano- or micro-sized particles and cell membranes is of crucial importance in many biological and biomedical applications such as drug and gene delivery to cells and tissues. During their cellular uptake, the particles can pass through cell membranes via passive endocytosis or by active penetration to reach a target cellular compartment or organelle. In this manuscript, we develop a simple model to describe the interaction of a self-driven spherical particle (moving through an effective constant active force) with a minimal membrane system, allowing for both penetration and trapping. We numerically calculate the state diagram of this system, the membrane shape, and its dynamics. In this context, we show that the active particle may either get trapped near the membrane or penetrates through it, where the membrane can either be permanently destroyed or recover its initial shape by self-healing. Additionally, we systematically derive a continuum description allowing to accurately predict most of our results analytically. This analytical theory helps identifying the generic aspects of our model, suggesting that most of its ingredients should apply to a broad range of membranes, from simple model systems composed of magnetic microparticles to lipid bilayers. Our results might be useful to predict mechanical properties of synthetic minimal membranes.Comment: 16 pages, 6 figures. Revised manuscript resubmitted to J. Chem. Phy

Child Sexual Abuse by Catholic Priests, Deacons, and Male Members of Religious Orders in the Authority of the German Bishops’ Conference 1946–2014

This study explores the extent of sexual abuse of minors by members of the Catholic Church in Germany. It is the first comprehensive study to examine this extent in a European country. The goals of this study are as follows: (a) to analyze whether the extent and characteristics of sexual abuse in a European country are comparable to those in the United States and Australia and (b) how discrepancies can be explained. The personnel files of 38,156 Catholic Priests, deacons, and male members of religious orders in the authority of the German Bishops’ Conference were analyzed. The study period lasted from 1946 to 2014. All 27 German dioceses took part in this study. A total of 4.4% of all clerics (N = 1,670) from 1946 to 2014 were alleged to have committed sexual abuse, and 3,677 children or adolescents were identified as victims. These results are similar to those from comparable studies in the United States. Sexual abuse of minors within the authority of the Catholic Church seems to be a worldwide phenomenon

Frequency-dependent higher-order Stokes singularities near a planar elastic boundary: implications for the hydrodynamics of an active microswimmer near an elastic interface

The emerging field of self-driven active particles in fluid environments has recently created significant interest in the biophysics and bioengineering communities owing to their promising future biomedical and technological applications. These microswimmers move autonomously through aqueous media where under realistic situations they encounter a plethora of external stimuli and confining surfaces with peculiar elastic properties. Based on a far-field hydrodynamic model, we present an analytical theory to describe the physical interaction and hydrodynamic couplings between a self-propelled active microswimmer and an elastic interface that features resistance toward shear and bending. We model the active agent as a superposition of higher-order Stokes singularities and elucidate the associated translational and rotational velocities induced by the nearby elastic boundary. Our results show that the velocities can be decomposed in shear and bending related contributions which approach the velocities of active agents close to a no-slip rigid wall in the steady limit. The transient dynamics predict that contributions to the velocities of the microswimmer due to bending resistance are generally more pronounced than to shear resistance. Our results provide insight into the control and guidance of artificial and synthetic self-propelling active microswimmers near elastic confinements.Comment: 20 pages, 3 figures. To appear in PRE. Abstract shortened to comply with the arXiv limit of 1920 character

Shared sorrow, shared costs: cost-effectiveness analysis of the Empowerment group therapy approach to treat affective disorders in refugee populations

Background Refugees and asylum seekers (RAS) in Germany need tailored and resource-oriented mental healthcare interventions. Aims To evaluate the cost-effectiveness of group psychotherapy for RAS with moderate depressive symptoms. Method This is a post hoc cost-effectiveness analysis of Empowerment group psychotherapy that was embedded in a stratified stepped and collaborative care model (SCCM) from the multicentre randomised controlled MEHIRA trial. One hundred and forty-nine participants were randomly assigned to SCCM or treatment as usual (TAU) and underwent Empowerment (i.e. level 3 of the SCCM for adults) or TAU. Effects were measured with the nine-item Patient Health Questionnaire (PHQ-9) and quality adjusted life-years (QALY) post-intervention. Health service and intervention costs were measured. Incremental cost-effectiveness ratios (ICER) were estimated and net monetary benefit (NMB) regressions with 95% confidence intervals were performed. Cost-effectiveness was ascertained for different values of willingness to pay (WTP) using cost-effectiveness acceptability curves for probable scenarios. Trial registration number: NCT03109028 on ClinicalTrials.gov. Results Health service use costs were significantly lower for Empowerment than TAU after 1 year. Intervention costs were on average €409.6. Empowerment led to a significant change in PHQ-9 scores but not QALY. Bootstrapped mean ICER indicated cost-effectiveness according to PHQ-9 and varied considerably for QALY in the base case. NMB for a unit reduction in PHQ-9 score at WTP of €0 was €354.3 (€978.5 to −€269.9). Results were confirmed for different scenarios and varying WTP thresholds. Conclusions The Empowerment intervention was cost-effective in refugees with moderate depressive symptoms regarding the clinical outcome and led to a reduction in direct healthcare consumption. Concerning QALYs, there was a lack of confidence that Empowerment differed from TAU