Overview of research projects

Project Details:
The cat belongs to the most popular companion animal in Germany. Although cats have a long domestication history, our knowledge of their social and cognitive skills, their communication system as well as their social attachment to humans is limited. Several decades of research on dogs has shown a strong impact of domestication on their social behavior and cognitive skills, whereas our knowledge on the impact of domestication on cat behavior, especially towards humans, is in its infancy. It is generally believed that cats "domesticated themselves" by following their prey (rodents) into human settlements. It is assumed that especially the more bold cats lived closely together with humans, which benefited from their hunting abilities. This differs from the domestication of the dog, which was actively domesticated by humans. This different domestication history is likely to have an influence on social interactions between cats/dogs and humans. In this project, we aim to investigate human-directed communication in cats as well as social attachment between cats and their owners. We are interested in whether cats show a kind of "jealousy behavior" like dogs or if and how they compete for their owners. Furthermore, we investigate the influence of factors such as housing (indoor cats, outdoor cats), sex and hormonal status (neutered, not neutered) on social interactions between cats and between cats and humans.

Funding: DFG, 310.150 EUR

Project Details:
The intermediate nuclei of the lateral lemniscus (INLL) is one of the three nuclei of the lateral lemniscus that process and relay auditory information between the cochlear nucleus, the superior olivary complex and the auditory midbrain. While the function of the other two lemniscal nuclei is at least partially understood the involvement of the INLL in sound processing is largely unknown. Moreover, the transmitter type of INLL neurons seem species specific, as rodents and bats are labelled for glutamatergic and glycinergic markers respectively. From animal models that hear well below and above 2 kHz, like humans, hardly any functional data from this auditory brainstem structure is available. The present anatomical and functional data of the INLL indicates that it might be involved in the integration of auditory information between different frequencies. Such a cross-frequency integration is key process for generating the neuronal representation of our auditory environment. To elucidate the filter functions and functional role of the INLL we propose to investigate the sound processing features of this auditory structure with in vivo single unit electrophysiology. Initially, we will record acoustically evoked responses elicited by a battery of sound stimulations ranging from pure tones to conspecific calls. This stimulation battery allows us to characterize the basic processing features of INLL neurons. In the next step, we will determine the temporal and frequency dependent integration characteristics of INLL neurons. Our preliminary in vivo single unit recordings highlight the temporal filter functions by analyzing modulation transfer functions of stimulated transposed tones. In agreement with existing data from bat, we find evidence for integration of sounds between different sound frequencies. Obtaining deeper insights into the filter functions and integration characteristics will allow us to postulate functional roles of the INLL in sound processing. Finally, we plan to perform whole-cell in vivo recordings to gain mechanistic insight how INLL neurons achieve their processing tasks. Thus, this application will illuminate the functional role of an auditory brainstem structure that is well connected but hardly understood and therefore the proposal will substantially add to our understanding of sound processing and how we generate our auditory world in our brain.

Funding: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD), 48.000 EUR

Project Details:
Alphaviruses (family Togaviridae) are emerging and re-emerging small enveloped RNA viruses, which are transmitted from animal reservoirs to humans by mosquitoes and can cause debilitating joint pain or encephalitis. Depending on the reservoir species and the transmitting
mosquito vector they are found in different geographic regions. While Chikungunya virus (CHIKV) and O?nyong?nyong virus (ONNV) were historically restricted to tropical and subtropical climates, Sindbis virus (SINV) and Ross River virus (RRV) are primarily found in Scandinavia and Australia, respectively. Adaptation of CHIKV to new mosquito vectors and global warming led to the occurrence of the virus in Europe, making it a potential public health problem in Germany and neighboring countries. An
introduction of Venezuelan equine encephalitis virus (VEEV), which is circulating in the Americas and causing neurological symptoms in equids and humans, may also be possible in the future. No human vaccines or antiviral drugs against arthritogenic and neurotropic alphaviruses are on the market to date. This is reflected by a gap of knowledge of the molecular mechanism of the infection process and critical host factors involved in alphavirus infection and cross-species transmission.
Recently, our team found that the phosphatidylserine receptor T-cell immunoglobulin and mucin domain 1 (TIM-1) is a CHIKV attachment factor. Another prominent group of phosphatidylserine receptors is the Tyro3, AXL, and MerTK (TAM) receptor tyrosine kinase (RTK) family comprising the three proteins Tyro3, AXL and MerTK. The physiological function of TIM and TAM receptors is to bind and internalize apoptotic
bodies, which expose phosphatidylserine on the outer membrane leaflet. We could show that TIM-1 but not AXL serves as host factor for CHIKV. Moreover, the TIM-1 phosphatidylserine binding domain termed metal ion ligand binding site (MILIBS) is critical for the host factor function of TIM-1 in the context of CHIKV infection. TIM-1 affects binding as well as internalization of CHIKV particles to human cells. Finally, TIM-1 also enhances CHIKV infection in keratinocytes, which are among the first target cells of the virus after mosquito bite.
We therefore hypothesize that alphaviruses including CHIKV will use phosphatidylserine receptors for cell attachment and entry in reservoir species such as non-human primates and in transmitting mosquito vectors. Moreover, we here aim to clarify if virus produced in insect cells also exposes phosphatidylserine and this aids in infection of human cells, i.e. in cross-species transmission. Lastly, we will elucidate, how
phosphatidylserine becomes exposed on the viral envelope.
Thereby the work will contribute to the understanding of the molecular composition of alphavirus particles, the function of alphavirus attachment factors and the role of apoptotic mimicry in cross-species transmission and consequently emergence of alphaviruses.

Funding: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft, 206.956 EUR

Project Details:
In vitro investigations on host-pathogen interactions and factors determining virulence of non-notifiable avian Influenza viruses.

Cooperation Partners:

GD Deventer, Dr. S. de Wit

University of Edinburgh, Dr. L. Vervelde

Department of Poultry Diseases, Pulawy, Dr. K. Smietanka

Hungary, Prof. A. Balint

Funding: DFG, 192.000 EUR

Project Details:
Etwa 3 % der Weltbevölkerung ist chronisch mit dem Hepatitis-C-Virus (HCV) infiziert, welches akute und chronische Lebererkrankungen verursacht. Da ein robustes immunkompetentes Tiermodell zur Entwicklung prophylaktischer oder therapeutischer Impfstoffe noch nicht gefunden werden konnte und der Ursprung des HCV schwer zu fassen ist, rückt das dem HCV am nächsten verwandte Virus, das equine Hepacivirus (EqHV) bei Pferden, mehr in den Fokus. Ein verbessertes Verständnis dieses Viruses ist außerdem für die Pferdemedizin von großer Bedeutung, da gezeigt werden konnte, dass auch EqHV akute und chronische Infektionen verursachen kann.
Grund für diese Ausprägung kann eine fehlende hepatische Toleranz sein, die verhindert, dass dauerhaft infizierte Pferde eine robuste zelluläre Immunität aufbauen können. Daher würde ein erweitertes Wissen über die Mechanismen der hepatischen Toleranz helfen, chronischen Infektionen entgegenzuwirken. Hierauf soll die therapeutische Impfung eine Antwort geben, bei der die MVA basierte Vektor-Impfstoff-Technologie verwendet wird. Dabei exprimiert MVA (modified vaccinia virus Ankara) ausgewählte EqHV-Antigene, welche dann in Impfungen vergleichend analysiert werden, um diejenigen Antigene zu finden, die eine ausgewogene zelluläre und humorale antivirale Immunantwort induzieren.
Ziel ist es hierbei, die Immunantwort gegen EqHV bei chronisch infizierten Pferden und die immunologische Wirkung einer therapeutischen Impfung gegen EqHV bei gesunden Tieren zu untersuchen. Darüber hinaus stellt dieses Projekt auch einen potenziellen Nutzen für die Humanmedizin dar und liefert weitere Hinweise auf den Ursprung von HCV.

Funding: Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), 96.588 EUR

Project Details:
Milk is increasingly criticised by the public for causing various diseases in humans. Beta-casomorphin-7 (BCM-7), which is formed from A1 beta-casein during the digestion of milk, is suggested to be responsible for this. Caseins make up the largest proportion of the protein fraction in milk, accounting for about 80% of the total protein. Four types are distinguished, two different alpha-caseins (αS1 and αS2), as well as kappa- and beta-casein. In domestic cattle, 12 different variants of the beta-casein gene (CSN2) are known so far (A1, A2, A3, B, C, D, E, F, G, H1, H2 and I), of which the A1 and A2 variants are the most significant. At the protein level, the A1 and A2 beta-caseins differ in a single amino acid at position 67 (A1: histidine; A2: proline), which is thought to have a significant influence on the structural and thus also functional properties of the proteins. These can influence both the enteric digestibility of the milk and the technological properties during milk processing. The majority of milk marketed in Germany contains varying amounts of A1 and A2 beta-casein and is referred to as A1 milk. A2 milk, on the other hand, comes from A2/A2 homozygous animals and may not contain A1 beta-casein. The BCM-7 produced from A1 beta-casein may be further degraded to BCM-5, both of which are thought to mediate their effects via - and µ-opioid receptors. In A2 milk, however, the production of these BCM peptides is supposed to be significantly lower, although this assumption is still questionable. In the proposed project, therefore, fundamental questions about the effect of BCM-7 and its occurrence (degradation, formation) in milk and milk products should be answered. Therefore in one part of the project BCM-7 will be added to milk before processing to cheese and yoghurt, in another part milk from A1/A1 and A2/A2 cows will be used for processing. At different steps within the production of the cheese and yoghurt BCM-7 contents will be analysed. In further investigations, physicochemical, sensory and microbiological analyses will be performed to determine the extent to which the different milk genotypes influence the quality of the specific milk products.

Cooperation Partners:

Lehrstuhl für Physiologie (Frau Prof. Cornelia Deeg), Lehrstuhl für Klinische Pharmakologie (Prof. H. Ammer) der Ludwig-Maximilians Universität München

Funding: DFG, 249.200 EUR

Project Details:
Ziel des Projektes ist die weitergehende Entwicklung der Komponenten und der Nachweis der Funktionsweise einer Implantat-dirigierten Anlieferung von Wirkstoffen auf der Basis magnetischer Prinzipien. Auf diesem Wege soll eine neuartige Möglichkeit etabliert werden, spezifische Wirkstoffe mittels magnetischer Nanopartikel bedarfsabhängig zu einem frei wählbaren Zeitpunkt an magnetisierbaren Implantaten zu akkumulieren und somit die Wirksamkeit bei reduzierter Patientenbelastung zu erhöhen. Die Vision des Projektes ist der Einsatz dieser Technik für verschiedene Implantattypen, die gezielt magnetisiert werden, um temporär Wirkstoffe an den Zielort zu verbringen. Damit sollen die Wirksamkeit der Substanzen erhöht, systemische Nebenwirkungen verhindert und die Anzahl von Implantatrevisionen minimiert werden.

Results:

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32861030/

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30482189/

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31941495/

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24112871/

Cooperation Partners:

Prof. P. Behrens (Leibniz-Universität Hannover)

Dr. J. Reifenrath (Medizinische Hochschule Hannover)

Project Details:
Aus ökonomischer und ökologischer Sicht rückt neben dem N-Gehalt in den Wiederkäuer-Diäten auch der Gehalt an Phosphor (P) immer mehr in den Fokus. Neben der erwarteten Abnahme von verfügbaren Proteinfuttermitteln, ist die weltweite Ressourcenknappheit von P seit längerem bekannt. Wiederkäuer sind aufgrund des ruminohepatischen Kreislaufs und des P-Recyclings in der Lage in Zeiten geringerer Angebote an N und P den N-Metabolismus wie auch die Phosphat (Pi)-Homöostase anzupassen und Wachstum bzw. Stoffwechsel aufrecht zu halten. In eigenen Studien wurde gezeigt, dass eine N-reduzierte Fütterung zu einer Unterbrechung der somatotropen Achse führte und dadurch die Synthese von IGF1 vermindert war. Grund für diese Unterbrechung war eine niedrigere GHR-Expression, die durch verminderte Insulin-Spiegel verursacht wurde. In Untersuchungen an monogastrischen Spezies wurde gezeigt, dass eine P-Reduktion ebenfalls die Insulin-Sekretion beeinträchtigt. So soll im Rahmen des geplanten Versuchs untersucht werden, ob eine diätetische P-Reduktion wie eine N-Reduktion zu einer Unterbrechung der somatotropen Achse führt. Demzufolge wird die hepatische Synthese von IGF1 gehemmt sein, indem wie bei einer N-Reduktion, die Insulin-Spiegel vermindert sind, die die Expression des GHR in der Leber modulieren. Neben FGF23 ist Leptin in der Lage die Sekretion eines weiteren Mitglieds der FGF19-Unterfamilie, das hepatische FGF21, zu modulieren. In in vivo Versuchen an Ratten wurde gezeigt, dass Leptin die Expression von FGF21 über den JAK2/STAT3-Signalweg in der Leber stimuliert. So stellt sich die Hypothese, dass die verstärkte Expression von FGF21, die während einer N-Reduktion bei den wachsenden Ziegen detektiert wurde durch veränderte Plasma-Aminosäure- und/oder -Leptin-Spiegel bedingt wird. Zudem stellt sich die Annahme, dass die P-Reduktion ebenfalls in der Lage ist durch indirekte Modulation der Leptin-Konzentration aus dem Fettgewebe die hepatische FGF21-Expression zu regulieren. In Mäusen wurde gezeigt, dass eine P-Reduktion zur Stimulation der 1,25 (OH)2D3-Konzentration im Blut führt, die die Expression von FGF19 (bei der Maus 15) im Ileum stimuliert. Zudem war die Konzentration an Triglyceriden im Blut verändert wie auch die Expression der hepatischen CYP7A1 Expression. In eignen Untersuchungen bei Ziegen mit einer diätetischen N-Reduktion wurde gezeigt, dass die Konzentration an 1,25 (OH)2D3 vermindert war, während die Expression der CYP7A1mRNA in der Leber erhöht war bei gleichzeitig erhöhten Cholesterol-Konzentrationen. So stellt sich die Hypothese, dass sowohl eine N-Reduktion als auch eine P-Reduktion die Synthese von Cholesterol als auch Gallensäure modulieren. Die geplanten Untersuchungen sollen wesentlich zu einem besseren Verständnis möglicher Interaktionspartner zwischen bestimmten Organen wie auch deren diätetische Regulierbarkeit durch N und/oder P bei wachsenden Wiederkäuern beitragen. Zudem liefern diese Stoffwechsel-Daten Informationen zur Beurteilung der Tiergesundheit, da es in naher Zukunft aufgrund von Ressourcenknappheit (Phosphor) bzw. abnehmenden Produktionsflächen für Futterproteine neue Anpassungen in der Tierernährung geben wird bzw. bereits gibt.

Project Details:
Aus ökonomischer und ökologischer Sicht rückt neben dem N-Gehalt in den Wiederkäuer-Diäten auch der Gehalt an Phosphor (P) immer mehr in den Fokus. Neben der erwarteten Abnahme von verfügbaren Proteinfuttermitteln, ist die weltweite Ressourcenknappheit von P seit längerem be-kannt. Wiederkäuer sind aufgrund des ruminohepatischen Kreislaufs und des P-Recyclings in der Lage in Zeiten geringerer Angebote an N und P den N-Metabolismus wie auch die Phosphat (Pi)-Homöostase anzupassen und Wachstum bzw. Stoffwechsel aufrecht zu halten. Eine N-Reduktion führte zu deutlichen Veränderungen im Knochenstoffwechsel bei den wachsenden Ziegen. Eine P-Reduktion sorgte am Knochen u.a. für eine verminderte Ausschüttung des Fibroblasten Wachs-tumsfaktors 23 (FGF23). FGF23 gilt als ein neuer Regulator der Ca- und Pi-Homöostase wie auch des Vitamin D Stoffwechsels, in dem es u.a. die Expression von CYP27B1 und von NaPi IIa in der Niere reguliert. Es wird angenommen, dass eine P-Reduktion zu einer Hemmung der FGF23-Ausschüttung aus den Knochen bei wachsenden Ziegen führt und dadurch die renale Synthese von Calcitriol durch Stimulation der CYP27B1-Expression erhöht ist. Während eine N-Reduktion durch verminderte IGF1-Spiegel am Knochen die FGF23-Ausschüttung stimuliert und wie bekannt die CYP27B1-Expression und daraus resultierend die Calcitriol-Konzentration vermindert ist. Neben den niedrigeren IGF1-Spiegeln während einer N-Reduktion könnten somit auch erhöhte FGF23-Spiegel aus dem Knochen die renale CYP27B1-Expression modulieren. Ferner soll untersucht werden, ob die gezeigte CYP27B1-Abnahme während der N-Reduktion durch eine gleichzeitige N- und P-reduzierte Fütterung aufrecht erhalten bleibt, oder ob der postuliert stimulierende Effekt der P-Reduktion auf die CYP27B1-Expression der stärkere/dominierende ist. Die geplanten Untersuchun-gen sollen wesentlich zu einem besseren Verständnis möglicher Interaktionspartner zwischen be-stimmten Organen wie auch deren diätetische Regulierbarkeit durch N und/oder P bei wachsenden Wiederkäuern beitragen. Zudem liefern diese Stoffwechsel-Daten Informationen zur Beurteilung der Tiergesundheit, da es in naher Zukunft aufgrund von Ressourcenknappheit (Phosphor) bzw. abnehmenden Produktionsflächen für Futterproteine neue Anpassungen in der Tierernährung geben wird bzw. bereits gibt.

Funding: Förderprogramm Nachwachsende Rohstoffe des BMEL , 149.623 EUR

Project Details:
Weltweit fallen rohfaserreiche landwirtschaftliche Rückstände im Überfluss an, von denen ein Großteil - insbesondere in den Schwellenländern- direkt auf dem Feld verbrannt werden und eine erhebliche Luftverschmutzung verursacht. Auch in Europa ist ein solches Biomassepotential vorhanden, woraus durch geeignete technische Lösungen Biogas als regenerative Energie erzeugt werden könnte. Das innovative "DAUMEN"-Verfahren bietet durch die bionische Implementierung des Vormagensystems der Wiederkäuer
und die Nutzung der effizienten Pansenmikrobiologie eine solche effektive und wirtschaftliche technische Lösung. Mit dem Projekt DAUMEN 3.0 erfolgt durch das Institut für Siedlungsabfälle und Abwasserwirtschaft und das Institut für Physiologie und Zellbiologie die Praxisumsetzung und
Integration des Verfahrens in eine Biogasanlage. Mit dem eingesetzten Hochlast-Reaktor für Hydrolyse und Versäuerung (HRHV) wird die hohe Raum-Zeit-Ausbeute des Pansens nachgebildet. Durch eine etablierte Pansenflora ist der Reaktor geeignet, schwer abbaubare Reststoffe effizient aufzuschließen und kurzkettige Fettsäuren zu produzieren. Diese werden der BGA als ergiebiges
Substrat zugeleitet.
Im Teilvorhaben 2 wird durch das Institut für Physiologie und Zellbiologie eine mikrobiologische Bewertung der Anlage durchgeführt. Hierbei soll zum einen die Stabilität der aus Panseninhalt stammenden mikrobiellen Gemeinschaft im HRHV-Reaktors bei Einsatz unterschiedlicher Substrate untersucht werden, zum anderen soll überprüft werden ob durch den Einbau des HRHV-Reaktors Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft der Biogasanlage auftreten. Darüberhinaus wird die Syntheseleistung der Mikroorganismen im HRHV-Reaktor in Relation zum Substrat und zur Substratmenge quantifiziert. Um einen potentiellen Eintrag von pathogenen Mikroorganismen über den HRHV-Reaktor in die Biogasanlage auszuschließen, wird mittels bakteriologischer Untersuchungen das Vorhandensein potentieller Krankheitserregern erfasst.

Results:

https://doi.org/10.1007/s12155-023-10667-7

Cooperation Partners:

Institut für Siedlungsabfälle und Abwasserwirtschaft, Leibniz Universität Hannover