Challenges and solution approaches for an improved assessment of reproductive toxicity – species differences and in silico predictions

Within toxicology, reproductive toxicology is a highly relevant and socially particularly sensitive field. It encompasses all toxicological processes within the reproductive cycle and therefore includes many effects and modes of action. This makes the assessment of reproductive toxicity very challenging despite the established in vivo studies. In addition, the in vivo studies are very demanding both in terms of their conduct and interpretation, and there is scope for decision-making on both aspects. As a result, the interpretation of study results may vary from laboratory to laboratory. For the final classification, the assessment of relevance for men is decisive. The problem here is that relatively little is known about the species differences between men and the usual test animals (rat and rabbit). The rabbit in particular has hardly been researched in molecular biology. The aim of the dissertation was to develop approaches for a better assessment of reproductive toxicity, with two different foci: The first aim was to investigate species differences, focusing on the expression of xenobiotic transporters during ontogeny. Xenobiotic transporters, of the superfamily of ATP-binding cassette transporters (ABC) or solute carriers (SLC), are known to transport exogenous substances in addition to their endogenous substrates and therefore play an important role in the absorption, distribution and excretion of xenobiotics. Species differences in kinetics can in turn have a major impact on toxic effects. In the study, the expression of 20 xenobiotic transporters during ontogeny was investigated at the mRNA level in the liver, kidney and placenta of rats and rabbits and compared with that of men. This revealed major differences in the expression of the transporters between the species. However, further studies on the functionality and activity of the xenobiotic transporters are needed to fully assess the kinetic impact of the observed species differences. Overall, the study provides a valid starting point for further systematic investigations of species differences at the protein level. Furthermore, it provides previously unavailable data on the expression of xenobiotic transporters during ontogeny in rabbits, which is an important step in the molecular biological study of this species. The second part focused on investigating the predictive power of in silico models for reproductive toxicology in relation to pesticides. Both the commercial and the freely available models did not perform adequately in the evaluation. Three reasons could be identified for this: 1. many pesticides are outside the chemical space of the models, 2. different definition/assessment of reproductive toxicity and 3. problems in detecting similarity between molecules. To solve these problems, an extension of the databases on reproductive toxicity in relation to pesticides, respecting a uniform nomenclature, is needed. Furthermore, endpoint-specific models should be developed which, in addition to the usual structure-based fingerprints, use descriptors for, for example, biological activity. Overall, the dissertation shows how essential it is to further research the modes of action of reproductive toxicity. This knowledge is necessary to correctly assess in vivo studies and their relevance to men, as well as to improve the predictive power of in silico models by incorporating this information.Innerhalb der Toxikologie ist die Reproduktionstoxikologie ein hochrelevantes und gesellschaftlich besonders sensibles Fachgebiet. Sie umfasst alle toxikologischen Vorgänge innerhalb des Fortpflanzungszyklus und beinhaltet daher eine große Zahl an Effekten und Wirkmechanismen. Dies macht die Bewertung der Reproduktionstoxizität trotz der etablierten in vivo Studien sehr herausfordernd. Dazu kommt, dass die in vivo Studien sowohl bezogen auf ihre Durchführung als auch Interpretation sehr anspruchsvoll sind und es bei beiden Aspekten Entscheidungsspielräume gibt. Dies kann dazu führen, dass die Interpretation von Studienergebnissen von Labor zu Labor variiert. Für die abschließende Einstufung ist die Bewertung der Relevanz für den Menschen entscheidend. Problematisch dabei ist, dass relativ wenig über die Speziesunterschiede zwischen Menschen und den üblichen Versuchstieren (Ratte und Kaninchen) bekannt ist. Gerade das Kaninchen ist molekularbiologisch kaum erforscht. Ziel der Dissertation war es Lösungsansätze zur besseren Bewertung der Reproduktionstoxizität zu entwickeln, wobei zwei unterschiedlichen Schwerpunkte gesetzt wurden: Das erste Ziel war es, die Speziesunterschiede zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf der Expression von xenobiotischen Transportern während der Ontogenese lag. Xenobiotische Transporter, der Superfamilie der ATP-bindenden Kassettentransporter (ABC) oder Solute Carrier (SLC), sind dafür bekannt, exogene Substanzen zusätzlich zu ihren endogenen Substraten zu transportieren und spielen daher eine wichtige Rolle bei der Absorption, Distribution und Exkretion von Xenobiotika. Speziesunterschiede in der Kinetik können wiederrum einen großen Einfluss auf die toxische Wirkung haben. In der Studie wurde die Expression von 20 xenobiotischen Transportern während der Ontogenese auf mRNA-Level in Leber, Niere und Plazenta von Ratten und Kaninchen untersucht und mit der des Menschen verglichen. Hierbei zeigten sich große Unterschiede in der Expression der Transporter zwischen den Spezies. Um die kinetischen Auswirkungen der beobachteten Artenunterschiede vollständig beurteilen zu können, sind jedoch weitere Studien zur Funktionalität und Aktivität der Fremdstofftransporter erforderlich. Insgesamt bietet die Studie einen validen Ausgangspunkt für weitere systematische Untersuchungen von Artenunterschieden auf Proteinebene. Darüber hinaus liefert sie bisher nicht verfügbare Daten zur Expression von xenobiotischen Transportern während der Ontogenese im Kaninchen, was einen wichtigen Schritt in der molekularbiologischen Untersuchung dieser Spezies darstellt. Im zweiten Teil lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Vorhersagekraft von in silico Modellen für Reproduktionstoxikologie in Bezug auf Pestizide. Sowohl die kommerziellen als auch die frei verfügbaren Modelle schnitten bei der Bewertung nicht ausreichend ab. Dafür konnten drei Ursachen ausgemacht werden: 1. Viele Pestizide sind außerhalb des chemischen Raums der Modelle, 2. Unterschiedliche Definition/Beurteilung von Reproduktionstoxizität und 3. Probleme bei der Detektion von Ähnlichkeit zwischen Molekülen. Zur Lösung dieser Probleme ist eine Erweiterung der Datenbanken zur Reproduktionstoxizität in Bezug auf Pestizide, unter Beachtung einer einheitlichen Nomenklatur, nötig. Zudem sollten endpunktspezifische Modelle entwickelt werden, welche zusätzlich zu den üblichen strukturbasierten Fingerprints, Deskriptoren für zum Beispiel biologische Aktivität verwenden. Insgesamt zeigt die Dissertation, wie essenziell es ist, die Wirkmechanismen der Reproduktionstoxizität weiter zu erforschen. Dieses Wissen ist notwendig, um in vivo Studien und deren Relevanz für den Menschen korrekt zu beurteilen, sowie die Vorhersagekraft von in silico Modellen durch Einbeziehung dieser Informationen zu verbessern

Colour analysis of degraded parchment

Multispectral imaging was employed to collect data on the degradation of an 18th century parchment by a series of physical and chemical treatments. Each sample was photographed before and after treatment by a monochrome digital camera with 21 narrow-band filters. A template-matching technique was used to detect the circular holes in each sample and a four-point projective transform to register the 21 images. Colour accuracy was verified by comparison of reconstructed spectra with measurements by spectrophotometer

Blocking Plasmodium development in the mosquitoes by human antibodies

Malaria ist eine Krankheit, die durch den Protozoen Plasmodium verursacht und von Anopheles Moskitos durch infektiöse Stiche übertragen wird. Diese ̈Übertragung kann durch verschiedene Interventionsstrategien blockiert werden. Eine relativ neue Strategie, die bisher nur im Labor getestet wurde, ist der Einsatz genetisch veränderter Moskitos, die den Parasiten nicht auf einen neuen menschlichen Wirt übertragen können. Ein Ansatz ist die Entwicklung von Moskitos, die mit murinen Antikoepern ausgestattet sind, die gegen relevante Oberflächenproteine des Parasiten, dem Circumsporozoite Protein (CSP) gerichtet sind. Es ist jedoch nach wie vor unklar, welches Entwicklungsstadium angegriffen werden soll und welche Antikörper für diesen Ansatz effizient sind. Hier zeige ich, dass in Stechmücken, die mit einem humanen Anti-CSP-Antikörper ausgestattet sind, die Sporogonie der Oozysten in Abhängigkeit von der Parasiten-dichte blockiert wird und somit die Sporozoitenlast in den Mücken signifikant verringern. Insbesondere Antikörper, die sich an die ’Repeat Region’ des CSP binden, können die Sporozoitenlast in der Stechmücke verringern. Des Weitern, zeigen diese Stechmücken kaum Defekte in der Entwicklung und im Überleben. Diese Ergebnisse bestätigen die zuvor beschriebene Bedeutung von CSP während der Sporogonie und unterstreichen die Effizienz von humanen, ’Repeat Region’ bindenden Anti-CSP-Antikörpern bei der Beeinträchtigung der Parasitenentwicklung in dem Vektor. Darüber hinaus ist in Stechmücken, die mit humanen Anti-CSP Antikörpern ausgestattet sind, die Entwicklung von Sporozoiten teils limitiert und teils komplett verhindert. Dies macht sie zu einem vielversprechenden Instrument für Maßnahmen zum Malaria Kontrolle. In dieser Arbeit habe ich weitere Einblicke in den Mechanismus , durch den Anti-CSP-Antikörper die Parasitenentwicklung in der Mücke stören, und gezeigt, dass Oozysten ein effizientes Ziel für diesen Ansatz sind.Malaria is a disease caused by the protozoan parasite Plasmodium and transmitted by Anopheles mosquitoes trough infectious bites, these transmission events can potentially be blocked by different intervention strategies. A relatively new strategy which has been only tested in the laboratory is the use of genetically modified mosquitoes unable to transmit the parasite to a new human host. In the past, murine derived antibodies directed against relevant parasite surface proteins were used with limited success. It remains unclear which developmental stage is targeted, and which antibodies are useful. Here, I show that in mosquitoes equipped with a human derived anti-CSP repeat binding antibody, oocyst sporogony is blocked in a parasite density dependent manner. Only repeat binding antibodies could decrease sporozoite loads in the mosquito. These results confirm the previously described importance of CSP during sporogony and highlight the efficiency of human derived repeat binding anti-CSP antibodies in interfering with parasite development even in a different host. Additionally, mosquitoes equipped with human derived anti-CSP antibodies show little (in high density infections) to no (in low density infections) sporogonic development, making them a promising tool for malaria transmission blocking interventions. I provided additional insights into the mechanism by which anti-CSP antibodies interfere with parasite development in the mosquito showing that oocysts are an efficient target for this approach. Therefore, the mosquitoes used here are potentially resistant in a more natural setting. Additionally, I provided a new tool allowing a faster screening of antibodies in a mosquito context by injection of single chain Fabs into the mosquito hemolymph. Taken together, this approach could one day give rise to alternative strategies in tackling malaria transmissions

High-Fidelity Zero-Shot Texture Anomaly Localization Using Feature Correspondence Analysis

We propose a novel method for Zero-Shot Anomaly Localization that leverages a bidirectional mapping derived from the 1-dimensional Wasserstein Distance. The proposed approach allows pinpointing the anomalous regions in a texture with increased precision by aggregating the contribution of a pixel to the errors of all nearby patches. We validate our solution on several datasets and obtain more than a 40% reduction in error over the previous state of the art on the MVTec AD dataset in a zero-shot setting