Riverine nitrogen supply to the global ocean and its limited impact on global marine primary production: a feedback study using an Earth System Model

A common notion is that negative feedbacks stabilize the natural marine nitrogen inventory. Recent modeling studies have shown, however, some potential for localized positive feedbacks leading to substantial nitrogen losses in regions where nitrogen fixation and denitrification occur in proximity to each other. Here we include dissolved nitrogen from river discharge in a global 3-D ocean biogeochemistry model and study the effects on near-coastal and remote-open-ocean biogeochemistry. We find that at a steady state the biogeochemical feedbacks in the marine nitrogen cycle, nitrogen input from biological N2 fixation, and nitrogen loss via denitrification mostly compensate for the imposed yearly addition of 22.8 to 45.6 Tg of riverine nitrogen and limit the impact on global marine productivity to < 2 %. Global experiments that regionally isolate river nutrient input show that the sign and strength of the feedbacks depend on the location of the river discharge and the oxygen status of the receiving marine environment. Marine productivity generally increases in proximity to the nitrogen input, but we also find a decline in productivity in the modeled Bay of Bengal and near the mouth of the Amazon River. While most of the changes are located in shelf and near-coastal oceans, nitrogen supply from the rivers can impact the open ocean, due to feedbacks or knock-on effects

Einfluss von Hypothermie und Kardioplegielösungen auf die alpha-Gal-Epitope auf porcinen Aortenendothelzellen

Im Rahmen einer Invitro-Studie mit porcinene Aortenendothelzellen wurde der Einfluss von Hypothermie und den Kardioplegielösungen UW-Lösung und Bretschneider-Lösung auf die alpha-gal-Epitope untersucht. Zur Bestimmung des Einflusses von Hypothermie auf die alpha-gal-Epitope wurden die Zellen der Versuchsgruppen über 1h,4h und 6h bei 4°C gekühlt, die Zellen der Kontrollgruppen wurden über den entsprechenden Zeitraum bei 38°C inkubiert. Zur Bestimmung des Einflusses der Kardioplegielösungen wurden die Zellen der Versuchsgruppen über 4h bei 4°C unter Zusatz von Bretschneider- oder UW-Lösung gekühlt, während die Zellen der Kontrollgruppen über 4h bei 4°C ohne Zusatz der entsprechenden Lösung gekühlt wurden. Es zeigte sich kein signifikanter Einfluss der Hypothermie von 4°C auf die alpha-Gal-Epitope. Die Kardioplegielösungen aber führten zu einer signifikanten Reduktion der Epitope pro Zelle (UW-Lösung 50%, Bretschneider-Lösung 32%). Der hier nachgewiesene alpha-gal-Epitop reduzierende Effekt der Kardioplegielösungen könnte eine therapeutische Option zur Verhinderung der Abstoßungsreaktionen in der Xenotransplantation darstellen

Ein Beitrag zum Toxnetz-Explorer: Der Magen-Darm-Trakt

Die vorliegende Abschlussarbeit „Der Magen-Darm-Trakt: Ein Beitrag zum Toxnetz-Explorer“, wurde von Frau Dr. Simone Miriam Keller im Rahmen des Postgradualstudiums Toxikologie und Umweltschutz der Universität Leipzig angefertigt. In der eingereichten Arbeit werden allgemeine Strukturen des Magen-Darm-Trakts sowie die einzelnen Organe anatomisch beschrieben. Es werden die Funktionen und Aufgaben der Organe des Magen-Darm-Trakts bei der Absorption, Metabolisierung und Ausscheidung erläutert sowie die Metabolisierung von Fremdstoffen wie Arzneimittel und toxische Bestandteile von Nahrungsmitteln, am Beispiel des Mykotoxins Patulin, beschrieben. Die Arbeit dient als Grundlage zur Erstellung eines Toxnetz-Explorer Kapitels zum Thema Magen-Darm-Trakt

Zweidimensionales Speckle Tracking im Vergleich zu dopplerbasierten Ultraschallmethoden zur Bestimmung der myokardialen Funktionsparameter Tissue Velocity, Strain Rate und Strain

Ultraschalltechnisch können die myokardialen Funktionsparameter Tissue Velocity, Strain Rate und Strain auf verschiedene Arten berechnet werden. Es besteht die Möglichkeit, die Parameter mittels Gewebedoppler zu analysieren. Neue Techniken sind die Methode des Speckle Tracking und Kombinationen beider Methoden. Der Gewebedoppler ist in der Human- und beginnend auch in der Tiermedizin bereits untersucht und etabliert. Limitiert ist diese Technologie vor allem durch den Winkelfehler und aufwendiges manuelles Tissue Tracking. Das Speckle Tracking ist dopplerunabhängig und berechnet die Funktions¬parameter durch die Bewegung von Graubildpixeln von Bild zu Bild. In der Theorie ist das Speckle Tracking unabhängig vom Anschallwinkel und das Tracking erfolgt automatisch. Auch diese neue Untersuchungstechnik beginnt in der Humanmedizin Fuß zu fassen und wird in klinischen Studien bereits eingesetzt. Für die Tiermedizin existieren zu dieser Technologie noch keine Veröffentlichungen. Ziel der Arbeit „Zweidimensionales Speckle Tracking im Vergleich zu dopplerbasierten Ultraschallmethoden zur Bestimmung der myokardialen Funktionsparameter Tissue Velocity, Strain Rate und Strain beim Hund“ war es, an einer Population von 116 herzgesunden Hunden verschiedener Rassen (Alter 1 bis 15 Jahre, Gewicht 2 bis 72 kg) Referenzwerte zu erstellen. Gewebegeschwindigkeit, Strain Rate und Strain wurden mit (1) Speckle Tracking, (2) einer kombinierte Methode aus Speckle Tracking und Gewebedoppler, (3) einer Methode, die automatisches Tracking verwendet, jedoch zur Analyse der Parameter auf Dopplerdaten zurückgreift sowie (4) der konventionellen Gewebedoppler-Echokardiographie mit manuellem Tracking evaluiert. Die Datenakquirierung erfolgte mit einem Vivid 7® System, die offline-Analyse mit den Programmen EchoPac Q-Analyse® und EchoPac 2D Strain® (Versionen BT 04 und BT 05) der Firma GE (Horten, Norwegen). Bei der Untersuchung der neuen Methoden – auch im Vergleich mit der konven¬tionellen Gewebedopplertechnologie – und bei der Erstellung von Referenz¬werten, wurde auf Mittelwerte innerhalb von Myokardsegmenten zurückgegriffen. Die verglichenen Analysemethoden korrelierten gut miteinander, wobei die neuen Techniken teilweise niedrigere Messwerte als die konventionelle Gewebe¬dopplertechnologie lieferten. Im Vergleich von Myokardsegmenten innerhalb einzelner Herzwände zeigte die Tissue Velocity einen Gradienten von basal nach apikal. Strain Rate und Strain dagegen waren homogen verteilt. Mit der konventionellen Gewebedoppler¬technologie konnte diese homogene Verteilung von Strain Rate und Strain in der Tiermedizin bisher nicht gezeigt werden. Eine Ursache für die durch den Gewebedoppler ermittelte inhomogene Verteilung von Strain Rate und Strain kann die Winkelabhängigkeit der Messungen sein. Das Fehlen eines Gradienten in Strain Rate und Strain weist darauf hin, dass eine Winkelabhängigkeit der neuen Methoden nicht vorhanden ist. Im Vergleich der Herzwände zeigte die rechte Wand mit den neuen Methoden bei der Messung der meisten Parameter die höchsten Werte. Die Messung der Parameter in der Einzelwanddarstellung lieferte aufgrund höherer Bildraten größere Messwerte als im Vierkammerblick. Einige der Parameter zeigten eine Abhängigkeit von physiologischen Einfluss¬faktoren wie Alter, Gewicht, Geschlecht, Rasse und Herzfrequenz. Klinisch relevant war vor allem der Einfluss des Gewichts. Dies macht die Erstellung von Referenzwerten für einzelne Gewichtsgruppen notwendig. Die Reproduzierbarkeit des Speckle Tracking und der Dopplerdatenanalyse mit automatischem Tracking war für die meisten Parameter gut und teilweise war sie besser, als mit der konventionellen Gewebedoppleranalyse. Die kombinierte Analysemethode zeigte eine schlechtere Reproduzierbarkeit als die anderen Methoden. Diese relativ schlechte Reproduzierbarkeit der kombinierten Analyse¬methode und die Tatsache, dass diese Methode teilweise nicht erklärbare, von den anderen Methoden abweichende Untersuchungsergebnisse lieferte, lässt sie für den Hund als wenig geeignet erscheinen. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse können als Grundlage für weiter¬führende Untersuchungen dienen. Hier sind das Verhalten der myokardialen Funktionsparameter bei Herzerkrankungen oder der Einfluss von Medikamenten mögliche Fragestellungen für zukünftige Studien. Zudem können die erzielten Ergebnisse teilweise in die Humanmedizin übernommen werden

Niemann-Pick disease type C clinical database: Cognitive and coordination deficits are early disease indicators

BACKGROUND: The neurodegenerative lysosomal storage disorder Niemann-Pick disease type C (NP-C) is characterized by a broad clinical variability involving neurological, psychiatric and systemic signs. Diverse patterns of disease manifestation and progression considerably delay its diagnosis. Here we introduce the NP-C clinical database (NPC-cdb) to systematically obtain, store and analyze diagnostic and clinical findings in patients with NP-C. We apply NPC-cdb to study NP-C temporal expression in a large German-Swiss patient cohort. METHODS: Current and past medical history was systematically acquired from 42 patients using tailored questionnaires. Manifestation of 72 distinct neuropsychiatric signs was modeled over the course of disease. The sequence of disease progression was re-constructed by a novel clinical outcome scale (NPC-cdb score). RESULTS: The efficiency of current clinical diagnostic standards negatively correlates with duration of disease (p<3.9x10(-4)), suggesting insufficient sensitivity in patients early in the disease process. Neurological signs considered as typical for NP-C were frequent (e.g., cognitive impairment 86%, ataxia 79%, vertical supranuclear gaze palsy 76%) and their presence co-occurred with accelerated diagnosis. However, less specific neuropsychiatric signs were reported to arise considerably more early in the disease process (e.g., clumsiness -4.9±1.1 y before diagnosis). Most patients showed a steady disease progression that correlated with age at neurological onset. However, a distinct subcohort (n=6) with initially steadily progressing disease later showed a 2.9-fold accelerated progression that was associated with the onset of seizures (p<7x10(-4)), suggesting seizures as predictive for a poor prognosis. CONCLUSIONS: Considering early, but less specific neuropsychiatric signs may accelerate the path to diagnosing NP-C in a patient

ACEMg-mediated hearing preservation in cochlear implant patients receiving different electrode lengths (PROHEARING): study protocol for a randomized controlled trial

Abstract Background The indications for a cochlear implant (CI) have been extended to include patients with some residual hearing. Shorter and thinner atraumatic electrodes have been designed to preserve the residual hearing in the implanted ear. However, the insertion of the electrode array into the cochlea, with potential mechanical trauma and the presence of this foreign body inside the cochlea, may lead to free radical formation and reduced blood perfusion of the cochlea which can result in the loss of residual hearing. Methods/design In this single-center, randomized, placebo-controlled, double-blind phase II clinical trial the effect of free radical scavengers and a vasodilator on the residual hearing of 140 CI patients will be evaluated. The formulation is composed of β-carotene (vitamin A), ascorbic acid (vitamin C), dl-α-tocopherol acetate (vitamin E) and the vasodilator magnesium (Mg), or ACEMg. Medication is administered twice daily per os for approximately 3 months. The primary measure is based upon the reduction in postoperative low-frequency air-conducted pure-tone thresholds compared to preoperative thresholds in ACEMg-treated patients compared to those of a placebo group. Additionally, the effect of different electrode lengths (20, 24 and 28 mm) is analyzed. Study visits are scheduled 2 days before surgery, at first fitting, which is the adjustment and start of stimulation via CI 4 weeks after surgery and 3, 6, 9 and 12 months after first fitting. The primary endpoint is the air-conduction hearing loss at 500 Hz 3 months after first fitting. Additionally, speech recognition tests, hearing aid benefit in the implanted ear and electrophysiological measurements of implant function are assessed. Since this is a blinded clinical trial and recruitment is still ongoing, data continue to accrue and we cannot yet analyze the outcome of the ACEMg treatment. Discussion There is an unfulfilled need for new strategies to preserve acoustic hearing in CI patients. This study will provide first-in-man data on ACEMg-mediated protection of residual hearing in CI patients. Performing all surgeries and patient follow-up at one study site improves consistency in diagnosis and therapy and less variability in surgery, audiological test techniques and fitting. This approach will allow investigation of the influence of ACEMg on residual hearing in CI patients. Trial registration The German Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) application number 4039192, was registered on 6 December 2013 with protocol amendment version 3.0 from 19 August 2014. EudraCT number: 2012-005002-22 .http://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/134623/1/13063_2016_Article_1526.pd

Expression of a Cu,Zn superoxide dismutase typical for familial amyotrophic lateral sclerosis increases the vulnerability of neuroblastoma cells to infectious injury

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Infections can aggravate the course of neurodegenerative diseases including amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Mutations in the anti-oxidant enzyme Cu,Zn superoxide dismutase (EC 1.15.1.1, SOD1) are associated with familial ALS. Streptococcus pneumoniae, the most frequent respiratory pathogen, causes damage by the action of the cholesterol-binding virulence factor pneumolysin and by stimulation of the innate immune system, particularly via Toll-like-receptor 2.</p> <p>Methods</p> <p>SH-SY5Y neuroblastoma cells transfected with the G93A mutant of SOD1 typical for familial ALS (G93A-SOD1) and SH-SY5Y neuroblastoma cells transfected with wildtype SOD1 were both exposed to pneumolysin and in co-cultures with cultured human macrophages treated with the Toll like receptor 2 agonist N-palmitoyl-S-[2,3-bis(palmitoyloxy)-(2RS)-propyl]-[R]-cysteinyl-[S]-seryl-[S]-lysyl-[S]-lysyl-[S]-lysyl-[S]-lysyl-[S]-lysine × 3 HCl (Pam₃CSK₄). Cell viability and apoptotic cell death were compared morphologically and by in-situ tailing. With the help of the WST-1 test, cell viability was quantified, and by measurement of neuron-specific enolase in the culture supernatant neuronal damage in co-cultures was investigated. Intracellular calcium levels were measured by fluorescence analysis using fura-2 AM.</p> <p>Results</p> <p>SH-SY5Y neuroblastoma cells transfected with the G93A mutant of SOD1 typical for familial ALS (G93A-SOD1) were more vulnerable to the neurotoxic action of pneumolysin and to the attack of monocytes stimulated by Pam₃CSK₄ than SH-SY5Y cells transfected with wild-type human SOD1. The enhanced pneumolysin toxicity in G93A-SOD1 neuronal cells depended on the inability of these cells to cope with an increased calcium influx caused by pores formed by pneumolysin. This inability was caused by an impaired capacity of the mitochondria to remove cytoplasmic calcium. Treatment of G93A-SOD1 SH-SY5Y neuroblastoma cells with the antioxidant N-acetylcysteine reduced the toxicity of pneumolysin.</p> <p>Conclusion</p> <p>The particular vulnerability of G93A-SOD1 neuronal cells to hemolysins and inflammation may be partly responsible for the clinical deterioration of ALS patients during infections. These findings link infection and motor neuron disease and suggest early treatment of respiratory infections in ALS patients.</p

Impairment of mitochondrial calcium handling in a mtSOD1 cell culture model of motoneuron disease

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disorder characterized by the selective loss of motor neurons (MN) in the brain stem and spinal cord. Intracellular disruptions of cytosolic and mitochondrial calcium have been associated with selective MN degeneration, but the underlying mechanisms are not well understood. The present evidence supports a hypothesis that mitochondria are a target of mutant SOD1-mediated toxicity in familial amyotrophic lateral sclerosis (fALS) and intracellular alterations of cytosolic and mitochondrial calcium might aggravate the course of this neurodegenerative disease. In this study, we used a fluorescence charged cool device (CCD) imaging system to separate and simultaneously monitor cytosolic and mitochondrial calcium concentrations in individual cells in an established cellular model of ALS.</p> <p>Results</p> <p>To gain insights into the molecular mechanisms of SOD1^G93Aassociated motor neuron disease, we simultaneously monitored cytosolic and mitochondrial calcium concentrations in individual cells. Voltage – dependent cytosolic Ca²⁺elevations and mitochondria – controlled calcium release mechanisms were monitored after loading cells with fluorescent dyes fura-2 and rhod-2. Interestingly, comparable voltage-dependent cytosolic Ca²⁺elevations in WT (SH-SY5Y^WT) and G93A (SH-SY5Y^G93A) expressing cells were observed. In contrast, mitochondrial intracellular Ca²⁺release responses evoked by bath application of the mitochondrial toxin FCCP were significantly smaller in G93A expressing cells, suggesting impaired calcium stores. Pharmacological experiments further supported the concept that the presence of G93A severely disrupts mitochondrial Ca²⁺regulation.</p> <p>Conclusion</p> <p>In this study, by fluorescence measurement of cytosolic calcium and using simultaneous [Ca²⁺]i and [Ca²⁺]_mitomeasurements, we are able to separate and simultaneously monitor cytosolic and mitochondrial calcium concentrations in individual cells an established cellular model of ALS. The primary goals of this paper are (1) method development, and (2) screening for deficits in mutant cells on the single cell level. On the technological level, our method promises to serve as a valuable tool to identify mitochondrial and Ca²⁺-related defects during G93A-mediated MN degeneration. In addition, our experiments support a model where a specialized interplay between cytosolic calcium profiles and mitochondrial mechanisms contribute to the selective degeneration of neurons in ALS.</p