A p38MAPK/MK2 signaling pathway leading to redox stress, cell death and ischemia/reperfusion injury

Background Many diseases and pathological conditions are characterized by transient or constitutive overproduction of reactive oxygen species (ROS). ROS are causal for ischemia/reperfusion (IR)-associated tissue injury (IRI), a major contributor to organ dysfunction or failure. Preventing IRI with antioxidants failed in the clinic, most likely due to the difficulty to timely and efficiently target them to the site of ROS production and action. IR is also characterized by changes in the activity of intracellular signaling molecules including the stress kinase p38MAPK. While ROS can cause the activation of p38MAPK, we recently obtained in vitro evidence that p38MAPK activation is responsible for elevated mitochondrial ROS levels, thus suggesting a role for p38MAPK upstream of ROS and their damaging effects.<p></p> Results Here we identified p38MAPKα as the predominantly expressed isoform in HL-1 cardiomyocytes and siRNA-mediated knockdown demonstrated the pro-oxidant role of p38MAPKα signaling. Moreover, the knockout of the p38MAPK effector MAPKAP kinase 2 (MK2) reproduced the effect of inhibiting or knocking down p38MAPK. To translate these findings into a setting closer to the clinic a stringent kidney clamping model was used. p38MAPK activity increased upon reperfusion and p38MAPK inhibition by the inhibitor BIRB796 almost completely prevented severe functional impairment caused by IR. Histological and molecular analyses showed that protection resulted from decreased redox stress and apoptotic cell death.<p></p> Conclusions These data highlight a novel and important mechanism for p38MAPK to cause IRI and suggest it as a potential therapeutic target for prevention of tissue injury.<p></p&gt

Influence of subject positioning on ankle plantar flexion torque development

Bewegungen im Sprunggelenk sind ein komplexes Zusammenspiel von vielen Gelenken, Muskeln und weiteren anatomischen Strukturen. Eine seriöse Untersuchung dieser Bewegungen muss darauf Rücksicht nehmen. Besonders anspruchsvoll ist die Erfassung des Drehmoments für die Plantarflexion, wegen der hohen auftretenden Kräfte. In der Studie von Herzog (1988) werden drei Hauptfaktoren genannt, welche zu Abweichungen zwischen gemessenem und resultierendem Moment bezüglich der jeweiligen Gelenkachse führen. Hierbei sind vor allem Gravitation, Trägheit sowie die Nachgiebigkeit des Systems aus Dynamometerarm und Schaftfuß ausschlaggebend. Werden die auftretenden Unterschiede zwischen gemessenem und resultierendem Drehmoment nicht berücksichtigt, führt dies zu Fehlschlüssen bezüglich der involvierten Muskeln und deren Eigenschaften. In der vorliegenden Studie wurde die Bewegung der Plantarflexion bei maximalen willkürlichen isometrischen Kontraktionen (MVC) untersucht, unter besonderer Berücksichtigung der Elastizität des Dynamometerarm-Schaftfuß Systems. An der Studie teilgenommen haben achtzehn Probanden. In einem vorgegebenen Messablauf wurden mehrere MVC bei unterschiedlichen Positionen am isokinetischen Dynamometer HUMAC® NORM™ (mit einer Abtastrate von 2000 Hz) ausgeführt. Synchron dazu wurden kinematische Daten mit dem Vicon MX™ System (200 Hz) erfasst. Die Bestimmung des Kraftangriffspunktes erfolgte mit einer an der Fußplatte des Dynamometeradapter angebrachten Druckverteilungsmesssohle (pedar®-x System), welche mit einer Abtastrate von 100 Hz Druckdaten aufzeichnete. Das wichtigste Ergebnis der durchgeführten Untersuchung ist ein signifikanter Einfluss der Probandenpositionierung auf das erreichte Drehmoment. Bis zu einem gewissen Maß unvermeidbar scheint die Rotation im Sprunggelenk während der MVC. Nichts desto trotz konnte eine Veränderung des Sprunggelenkwinkels während der Kontraktionen durch die engere Positionierung um ca. 50 % verringert werden. Zusätzlich war das erreichte Drehmoment in den Positionen näher am Dynamometer um etwa 14 % bis 28 % höher. Über Veränderungen in der Architektur der Muskel-Sehnen-Einheit bzw. über Bewegungen innerhalb der Gelenke während der MVC können nur Vermutungen angestellt werden; diese wurden in der durchgeführten Studie nicht erfasst. In zukünftigen Untersuchungen könnte das durch geeignete (bildgebende) Verfahren mitberücksichtigt werden. Auch wegen der in vorliegender Studie aufgetretenen Fehlausrichtung der Sprunggelenkachse mit der Dynamometerachse gilt es eine verbesserte und dennoch kostengünstige Messmethodik zu entwickeln, welche diesem Defizit zuvorkommt und über mögliche Abweichungen in der Achsenausrichtung schnellstmöglich informiert. Dennoch liegt die Vermutung nahe, dass bei adaptierter Positionierung der Probanden am Dynamometer verlässlichere Werte des „tatsächlichen“ Spitzendrehmoments gemessen werden. Die Fußplatte des Dynamometeradapters wurde dabei zu Beginn der MVC mit beträchtlichem Druck vorbelastet. Damit eine weitere Biegung des Systems aus Dynamometerarm und Schaftfuß im Verlauf der Messungen verringert und solidere Messergebnisse erzielt.Accurate assessment of motion occurring around the ankle joint turns out to be rather difficult because of the various joints, muscles and other anatomical structures involved. Establishing plantar flexion torque is specifically challenging due to the high forces arising. Herzog (1988) mentions influencing factors like gravitational effects, inertial effects or non-rigidity of the dynamometer arm/shank-foot system, contributing to the discrepancy between measured and resultant joint moments. Not taken into account this leads to unreliable conclusions about the properties of the involved muscles and tendons. The present study tackles the specific shortcoming of non-rigidity of the dynamometer system, while maximal voluntary isometric plantar flexion contractions (MVCs). Eighteen male volunteers participated in the study. They underwent a predefined test sequence, consisting of multiple MVCs, performed at different measuring positions on the isokinetic dynamometer HUMAC® NORM™ (sampling frequency set to 2000 Hz). Kinematic data were collected simultaneously by eight cameras using the Vicon MX™ system operating at 200 Hz. In addition a pedar®-x insole was placed on the dynamometer footplate, recording pressure distribution data (at 100Hz) in order to estimate the point of force application. The main finding of this study is a significant effect of subject positioning on the exerted torque. Ankle joint rotation during MVC seems inevitable to at least some extent. Yet rotation during trials could be reduced by about 50 % due to the tightened positioning of the subjects. In addition, torque levels reached at positions with the participants brought closer to the dynamometer were approximately 14 % to 28 % greater. Changes in muscle-tendon architecture or inner joint motion throughout the contractions were not monitored in the present study and can therefore only be hypothesized. This drawback should be considered in future research also because substantial joint axes misalignment, despite careful consideration, appeared in the conducted study. The novel measuring approach might be improved via affordable methods dealing with those emerged difficulties. However, there is evidence for an improved setting of how participants should be adjusted on the dynamometer for “true” plantar flexion torque detection. With considerable preload pressure exerted on the ankle adapter footplate the non rigidity of the dynamometer arm/shank-foot system seems to be partly diminishable

Experimentelle Verifikation von "Chameleon Tail Booms"

Das Institut entwickelt im Zusammenhang mit der Realisierung eines treibstofflosen Solar Sail Raumfahrtantriebs entfaltbare Leichtbaustrukturen. Mit der Zielsetzung weitere Gewichtseinsparpotenziale nutzbar zu machen, wurde kürzlich ein Entfaltungskonzept patentiert, das auf Grundlage so genannter STEM-Booms die Selbstentfaltung von Maststrukturen ermöglicht. Im Gegensatz zu bereits etablierten Entfaltungssystemen basiert das neue Verfahren auf der Nutzung von Formänderungsenergie, die in den Masten im gestauten Zustand gespeichert ist. Erste einfache Bodentests haben gezeigt, dass die Selbstentfaltung der Masten prinzipiell funktioniert. Allerdings ergeben sich offene Fragen, die sich ohne eine experimentelle Verifikation unter Weltraumbedingungen nicht zweifelsfrei ausräumen lassen. Da das Verfahren bewusst ohne komplizierte Führungsmechanismen auskommen soll, besteht tendenziell die Gefahr einer chaotischen Entfaltung. Die Akzeptanz für eine zukünftige Nutzung des Konzepts zur Entfaltung großer, lasttragender Maststrukturen kann nur dann erreicht werden, wenn der Nachweis einer reproduzierbaren und sicheren Entfaltung unter 0g-Bedingungen gelingt. Im Rahmen der Studienarbeit soll ein Verifikationsexperiment für das neue Verfahren ausgearbeitet werden. Die primäre Zielsetzung des Tests ist der Nachweis der Funktionalität unter 0g-Bedingungen. Es sollen unterschiedliche Verifikationsmöglichkeiten analysiert und die geeignetste Variante ausgewählt werden. Verifikationsmöglichkeiten ergeben sich zum Beispiel durch Gravitationskompensationssysteme und einen Bodentest, 0g-Parabelflüge oder echte On-Orbit Verifikationen im Vakuum. Dabei soll ein Kompromiss zwischen wissenschaftlichen Nutzen des Experiments und finanziellem Aufwand berücksichtigt werden. Nach der Definition und Spezifikation des Experiments soll eine Versuchsvorrichtung konstruiert und gebaut werden. Der Entwurf der Vorrichtung soll nach Möglichkeit Anforderungen berücksichtigen (z.B. Volumen, Gewicht), die für ein späteres System-Redesign eines Solar Sail Entfaltungsmoduls von Bedeutung sind

Entfaltungsmechanismen für den Leichtbau auf Basis bionischer Elemente

Entfaltbare Leichtbaustrukturen spielen in vielen technischen Anwendungen eine zunehmend wichtige Rolle. Grundlegende Designanforderungen nach Mobilität und einfachem Transport, nach geringer Systemkomplexität und damit Robustheit sowie nach einer energieeffizienten Entfaltung finden sich bei technischen Systemen genauso wie bei natürlichen Vorbildern. Biologische Entfaltungsprozesse liefern daher wichtige Ansätze, die auf technische Entwicklungen Einfluss nehmen können. Typische Anwendungsgebiete sind entfaltbare Raumfahrtsysteme und Strukturen der temporären Architektur für den Einsatz im Katastrophenschutz. Der Entfaltungsprozess eines Libellenflügels verläuft zum Beispiel ähnlich dem Aufblasen druckbeaufschlagter technischer Systeme und die Entfaltung eines Chamäleonschwanzes findet ihre Analogie bei einem aufgerollten Ultraleichtbaumast, den das DLR als lasttragendes Element zur Entwicklung treibstoffloser Solar Sail Raumfahrtantriebe einsetzt. Im Rahmen der Studie werden biologische Vorbilder analysiert und ihr Potenzial im Hinblick auf eine technische Anwendung sowohl in der Raumfahrt als auch für terrestrische Strukturen untersucht. Einfache Tests zeigen Möglichkeiten aber auch Grenzen der bionischen Lösungsansätze

Anterior subject positioning affects the maximal exerted isometric plantar flexion moment.

We examined the effect of increased anterior subject positioning toward the dynamometer's footplate during maximal voluntary isometric contractions (MVCs) on the joint moment, rotation and rate of torque development (RTD). Fourteen subjects, with their hip flexed (110°) and knee fully extended (180°), underwent ramp maximal and rapid voluntary isometric plantar flexion contractions at 4 different positions (0, 3, 6 and 8 cm; randomized). At position "0 cm", the foot was in full contact with the footplate; at the additional positions, the chair was moved forward. Body kinematics (VICON) and kinetics (HUMAC Norm, PEDAR) were captured synchronously during MVCs and RTDs. The results showed that the maximal exerted joint moment was significantly (p32% from the 0-cm to 8-cm position (126 and 172 Nm, respectively); however, at the "6 cm" and "8 cm" positions, no significant difference was found. The joint rotation was significantly (p50% (from 15.5 to 7.1°; 0-8 cm). The maxRTD was only significantly higher at "6 cm" compared with the "0 cm" position. The time to reach maxRTD showed shorter tendencies for the "8 cm" position than for all other positions. The results indicate an underestimation of the plantar flexor maximal force potential with the current measuring technique. This could be critical in pre-post study designs where a 2-cm alteration in the chair position can induce an error of ~9% in the joint moment. The joint rotation could be reduced but not completely eliminated. For position standardization purposes, a pressure >220 kPa under the subject's foot is needed to achieve the maximal joint moment. We discussed the possible origins (fascicle length, neural drive) of the increased joint moment

Large SAR Membrane Antennas with Lightweight Deployable Booms

At the DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems and the company Kayser-Threde extremely lightweight and stiff deployable carbon fibre-reinforced plastics (CFRP) booms and deployment mechanisms have been developed. The main target application is to develop an ultra-light weight solar sail for deep space satellite propulsion. Based on the successful development and ground-testing of a 20m x 20m deployable solar sail structure the in-orbit verification of the deployment principle and mechanisms is now being planned for launch in 2007. Kayser-Threde in collaboration with DLR has most recently completed a phase-B study of the solar sail project under ESA/ESTEC contract. In addition, mission and design studies have been performed at Kayser-Threde for ultra-light weight structures which can reach 100m x 100m in free space where a reflective, thin polyimide membrane is unfolded using DLR's advanced CFRP booms. Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites require large and long antennas which in turn require a large satellite bus as well as a launcher with a large fairing. This is especially true for lower frequency SARs such as L-Band, where antenna sizes of typically 12m x 3m are required. The cost for such a SAR mission could be reduced significantly if the antenna and its deployment and support structure would be lightweight and could be folded during launch. The membrane antenna concept has been demonstrated in Canada by the CSA and EMS Technologies, and in the US by JPL. Receive only antennas are of interest for micro satellites which fly in a formation with a large active SAR satellite in order to perform SAR interferometry in a "Cartwheel" configuration. However, research has also been done for active phased array membrane antennas. The paper provides a first concept for a deployment and support structure for a L-Band SAR membrane antenna. Estimates for the mass and the achievable stiffness are provided

Large Deployable Membrane Structures

In the past years, miscellaneous techniques to stow and deploy large structures have been developed. Reasons for this trend are on the one hand the increasing interests on such large structures in space and on the other hand economical reasons (e.g. launching and supporting costs). The field of functions of such a deployable structure is extremely wide. So the most solar arrays and some antennas (Mars Express, Spartan 207) are constructed deployable. This paper shall prove the possibilities of deploying planar, large membrane surfaces for different applications. Therefore, the base line concept of a thin membrane, supported by a deployable frame, was chosen. Due to this concept, various options for the deployment will be compared and assessed. Furthermore, a short outlook on membrane design and manufacturing is given

Structural engineering on deployable CFRP booms for a solar propelled sailcraft

The article addresses engineering activities on a key item of innovative solar sail propulsion technologies: lightweight deployable booms to enfold huge membrane structures in space. Design and analysis aspects are covered beside the description of several verification tasks on engineering models including a successful ground demonstration under simulated zero-g conditions of a solar sail breadboard model, which was funded bei ESA and DLR in a common effort. Based on lessons learned proposals for design improvements are made in preparation for a future solar sail flight mission. In a first step towards this goal the deployment technology will be demonstrated in Earth orbit. The DLR Institute of Composite Structures and Adaptive Systems is involved in the ESA-DLR follow-up project by the provision of the deployable booms made of Carbon-Fibre Reinforced Polymers (CFRP) and extremely thin sail segments. Kayser Threde GmbH, Germany has been commissioned as system responsible for the implementation of this project

Mechanical Concepts on Large Membrane Array Antenna Architectures

Increasing interest from the scientific community to utilize space-borne L- or P-Band radar antennas for remote sensing techniques specifies very large antenna apertures in future. Typical applications are biomass monitoring, measurements of surface displacement due to seismic activity, volcanism, or glacier flow, or the sounding of the ice shields. A common European interest in large antenna developments can be derived from ESA’s Technology Harmonization Mapping activities. A growing trend of antenna sizes is expected for higher sensitivity instruments. Severe constraints on antenna size were identified and very large apertures at around 30m dimension were found to be required. To comply with future requirements of huge space antennas, typical items such as volume constraints of the launcher, system mass, system stiffness, development costs, shape accuracy during operation, and risks must be carefully assessed prior to concept selection. Foldable membrane array antennas are attractive candidates, but since thin gauge films do not provide any stiffness, deployable support structures are required to stretch the large membrane adequately. At DLR, in collaboration with space industries, very light deployment concepts for support structures in space are being developed. Originally intended to span huge membranes for propellant-less solar sails, the concepts are evaluated now to be applied to very large deployable array antennas. The main focus of the present trade-offs aim at strict mass reduction, but membrane flatness and alignment requirements are in consideration as well