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4.6:. Feldtechniken für inkrementelles Bohren - Biologie

4.6:. Feldtechniken für inkrementelles Bohren - Biologie


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4.6. Feldtechniken für inkrementelles Bohren

Hier sind einige Tipps und Anweisungen, um saubere, verwendbare Kernproben zu erhalten.

Im Büro:

1. Untersuchen Sie Ihren Bohrer! Stellen Sie sicher, dass Ihr Gebiss scharf und frei von Kerben ist. Eine gezackte Bohrerkante führt zu einer „zerrissenen“ Bohrkernprobe. Es ist äußerst wichtig, die Bohrkrone sauber und geschützt zu halten, um eine glatte Kernprobe zu erhalten, die Sie leicht ablesen können (Abbildung 4.8).

Abbildung 4.8. Das Bild ganz links zeigt eine gezackte Bitoberfläche. Dies wird das Holz beim Bohren zerkauen und zu einer unlesbaren Kernprobe führen.

Im Feld:

1. dbh ermitteln. Hinweis – die Kernprobe muss nicht von der Bergseite des Baumes entnommen werden, sondern tut müssen bei dbh genommen werden. Wenn Sie an einem Hang stehen, bohren Sie den Baum am besten am seitlichen Hang, um die Auswirkungen seines außermittigen Marks zu verringern.

2. Wählen Sie eine Stelle am Stamm ohne Knoten oder Wölbungen.

3. Stellen Sie den Abzieher an einem sicheren Ort ab, während Sie bohren. Niemals in die Erde stecken! Der Abrieb der Extraktorzähne durch Mineralien und Gesteinspartikel im Boden macht sie stumpf, so dass sie die Bohrkernprobe nicht „greifen“ können, wenn es Zeit ist, den Kern zu extrahieren. Es ist auch zu leicht, den Abzieher zu verlieren oder darauf zu treten, wenn er sich unter Ihren Füßen befindet. Manche Leute stecken den Extraktor in die Rinde von Bäumen mit dicker Rinde, aber die meisten Hersteller raten auch davon ab. Ein schöner Platz dafür ist im Bleistiftschlitz der Weste Ihres Kreuzers. Es ist auch eine gute Idee, am Ende des Ausziehers bunte Fahnen zu wickeln, um sie besser sichtbar zu machen. Dies ist besonders wichtig, wenn in schwerem Gestrüpp gearbeitet wird.

4. Der Anfang ist oft der schwierigste Teil. Sie können erkennen, wann das Gebiss die Rinde durchdringt, das Holz „fängt“ und sich in die Mitte zu winden beginnt. Das Schmieren des Gebisses mit Bienenwachs oder WD40 kann diesen anfänglichen Fang erleichtern.

5. Schätzen Sie ab, wo Ihrer Meinung nach die Mitte des Baumes liegt, und bohren Sie fünf bis drei Zoll über diesen Punkt hinaus. Dies bewirkt ein paar Dinge. a) Wir verkennen oft, wie lange wir langweilen sollen. Das Hinzufügen von ein paar Zentimetern verringert die Wahrscheinlichkeit, dass man beim Versuch, das Mark zu erreichen, zu kurz kommt.

Abbildung 4.9. (A) Außermittige Kernprobe, die gekrümmte Ringe nahe der Mitte zeigt. (B) Zentrierte Kernprobe auf Baum mit außermittigem Mark.

b) Die meisten Bäume sind nicht perfekt rund und das Mark befindet sich auch nicht immer in der geometrischen Mitte eines Baumes. Ein Baum, der an einem Hang oder bei starkem Wind wächst, hat wahrscheinlich ein außermittiges Mark. Das Bohren über das Mark hinaus führt zu einer besseren Chance, das Zentrum zu treffen (Abbildung 4.9). c) Es ist im Allgemeinen leichter zu erkennen, wo die Mitte des Baumes ist, wenn Sie mehrere Ringe hinter dem Mark sehen können. Die Ringe auf der Kernprobe beginnen sich ein wenig zu krümmen, wenn Sie sich der Mitte nähern; Sie biegen dann in die entgegengesetzte Richtung, wenn Sie die Grube passiert haben. Das Sehen der Kurven in beide Richtungen kann helfen, die Mitte zu lokalisieren.

6. Nachdem Sie den Auszieher in den Bohrer eingesetzt haben, drehen Sie den Griff in die entgegengesetzte Richtung knusprig um das Holz zu brechen und den Kern herauszuziehen. (Wenn der Auszieher oben auf der Kernprobe eingesetzt wird, machen Sie 1 ½ Umdrehungen rückwärts; wenn der Auszieher unterhalb der Kernprobe eingesetzt wird, machen Sie zwei volle Umdrehungen rückwärts.)

7. Es kann schwierig sein, den Abzieher herauszuziehen. Verwenden Sie Ihren Fuß auf dem Baum als Hebel oder verwenden Sie beide Hände, aber Drehen Sie niemals den Auszieher! Dies wird nicht helfen, es herauszuholen, und führt zu einem kaputten Extraktor. Tragen Sie Handschuhe, um Ihre Hände vor „Papier“-Schnitten zu schützen, wenn der Extraktor aus dem Baum kommt.

8. Denken Sie daran, dass ein Jahresring, der das Wachstum von einem Jahr repräsentiert, sowohl aus hellem Frühholz (im Frühjahr gelegt) als auch aus dunklem Spätholz (im Sommer gelegt) besteht. Es ist dieser Kontrast des letztjährigen Spätholzes zum diesjährigen Frühholz, der es uns erlaubt, die Ringe zu zählen. Viele Leute trainieren ihr Auge, um einfach die dunklen Spätholzbänder in jedem Ring zu zählen.

9. Eine Handlinse oder eine Lupe hilft bei der Unterscheidung der Ringe, insbesondere bei alten oder langsam wachsenden Bäumen, bei denen die Ringe schmal sind. Außerdem werden die Ringe durch das Befeuchten der Kernprobe besser hervortreten.

10. Wenn das Mark verfehlt wird, versuchen Sie, die Mitte des Baumes zu „rekonstruieren“, indem Sie Ihre Kernprobe auf ein Blatt Papier legen und Kreise zeichnen, um die am weitesten sichtbaren Ringe auf dem Kern zu verlängern (Abbildung 4.10). Schätzen Sie anhand der Breite der Jahresringe, die der Mitte am nächsten sind, ab, wie viele Ringe in der Mitte fehlen, und zeichnen Sie sie ein. Fügen Sie diese fehlenden Ringe, falls nur wenige, zur Anzahl der Jahresringe hinzu. Wenn Sie mehr als drei oder vier Jahre hinzufügen, ist es am besten, eine neue Probe zu erhalten.

Abbildung 4.10. Verwenden Sie die Innenringbreite und -krümmung, um „fehlende“ Mittelringe zu rekonstruieren. Für diese Kernstichprobe würde der Ringzählung ein weiteres Jahr hinzugefügt.


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Da jeder Quirl ein Wachstumsjahr darstellt, kann das Alter bei jungen Bäumen mit bestimmtem Höhenwachstum durch Zählen der Quirls abgeschätzt werden.

1. Bei den meisten Bäumen werden die niedrigsten Äste des Baumes systematisch fallen gelassen, wenn der Baum wächst und die Sonne nicht mehr auf die Basis des Baumes trifft. Daher ist es bei der Altersschätzung mit dieser Methode wichtig, die untersten Stummel und/oder Äste einzubeziehen, bei denen offensichtlich Äste vorhanden waren.

2. Bei den meisten Arten sollten zwei bis vier Jahre angesetzt werden, um die Zeit zwischen der Keimung der Sämlinge und dem Nachweis von Astquirlen am Stamm zu berücksichtigen (Abbildung 4.4).

3. Kleine Einzeläste zwischen großen Astquirlen bilden keinen echten Quirl oder Wachstumsjahrgang. Zähle diese falschen Windungen nicht.

4. Eine sehr kurze Längenzunahme zwischen den Quirlen, die anders aussieht als das Wachstum der anderen Jahre, kann auf ein „Lamma“-Jahr hinweisen, in dem der Baum zweimal gespült wurde, oft als Reaktion auf außergewöhnliche Wachstumsbedingungen. Ignorieren Sie diese Jahre, es sei denn, es ist offensichtlich, dass eine Verletzung für das sehr kurze Internodien verantwortlich ist (Abbildung 4.4).

Abbildung 4.4. Zählen der Windungen, um das Alter eines jungen Nadelbaums zu bestimmen. Lammas-Wachstum und falsche Windungen werden ignoriert. Der untere Stamm wird auf Äste untersucht, und die Jahre bis zum ersten sichtbaren Knoten werden geschätzt und in - im Allgemeinen 2-4 Jahren - hinzugefügt.

Diese Methode des „Wirtelzählens“ funktioniert in der Regel bis zum Alter von etwa fünfzehn Jahren bei Nadelbäumen wie Douglasie, Fichte (Picea spp.), Kiefern (Pinus spp.) und echte Tannen (Abies spp.). Für Zedern ist es schwieriger (Thuja spp., Chamaecyparis spp.), Hemlocks (Tsuga spp.) und einige Harthölzer. Man muss wirklich nah an den Baum herankommen, sorgfältig nach Knospennarben suchen und die Wuchsgewohnheiten dieser Arten kennen.


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Sobald Höhen- und Altersmessungen für alle Standortbäume erhalten wurden, kann der Standortindex bestimmt werden.

1. Erstellen Sie Höhen- und Altersmessungen für geeignete Standortindexbäume gemäß dem Protokoll aus Abschnitt 6.5. Die Daten für zwei Douglasien sind in Tabelle 6.1 aufgeführt.

Tabelle 6.1. Felddaten zur Ermittlung des Standortindex für Douglasie.
Baum Gesamtbaumhöhe (ft.) Brust Ht. Alter* (Jahre) Site-Index (ft.)
EIN 114 45 123
B 135 68 113
* In dieser Site-Index-Grafik wird das Alter der Brustgröße verwendet (aus einer Kernstichprobe, die bei DBH entnommen wurde).

2. Zeichnen Sie jeden Baum in das Standortindexdiagramm ein, indem Sie die im Feld gemessene Höhe und das Alter verwenden.

3. Folgen Sie den Kurven vorwärts oder rückwärts bis zum Basisalter (50 Jahre). In diesem Fall "wachsen" Sie Baum A bis zum Alter von 50 Jahren, indem Sie den Trends folgen, die durch die nächsten Kurven angezeigt werden, wie in Abbildung 6.8 gezeigt.

Abbildung 6.8. Baum A ist von 45 auf 50 Jahre „gewachsen“. Die geschätzte Höhe bei 50 Jahren beträgt ≈ 123 Fuß. Der Standortindex für Baum A ist 123. Baum B wird auf 50 Jahre zurückverfolgt. Die geschätzte Höhe bei 50 Jahren beträgt ≈ 113 Fuß. Der Standortindex für Baum B beträgt 113. Somit können zwei Bäume unterschiedlichen Alters auf relativer Basis verglichen werden, um anzuzeigen, wie gut der Waldstandort zum Anbau von Douglasien geeignet ist. Quelle: Neu gezeichnet und angepasst von King 1966.

4. Bestimmen Sie die Höhe von Baum A im Alter von 50 Jahren. Diese Höhe von 123 Fuß ist der Standortindex für diesen Baum.

5. Wiederholen Sie dies für jeden Site-Baum. In diesem Beispiel ist Baum B über 50 Jahre alt, wird also auf das Alter von 50 zurückgeführt (Abbildung 6.8). Wenn für jeden Baum ein Standortindexwert ermittelt wurde, kann ein Durchschnitt für den Bestand berechnet werden. Der Durchschnitt für die beiden Bäume hier beträgt 118 Fuß, was die Bäume auf niedrigem Grundstück der Klasse II setzt.

6. Es ist nicht korrigieren, um das durchschnittliche Alter und die durchschnittliche Höhe der gemessenen Bäume zu berechnen und dies einzutragen, um den Standortindex zu bestimmen.


Como Determinar a Idade de uma Árvore

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Você já se questionou sobre a idade daquela imensa árvore em seu quintal? Caso não saiba quando ela foi plantada, meça sua circunferência para fazer essa estimativa. Apesar de menos preciso, esse método é o mais fácil. Se ela für perene, conte os verticilos (ou nós) dos ramos. Árvores de folhas largas os produzem de forma unregelmäßig, então essa contagem só é prática no caso das perenes. Ein contagem dos anéis, por sua vez, traz a estimativa mais precisa, mas não é preciso cortar uma árvore saudável apenas para determinar sua idade. Em vez disso, para contar esses anéis, extraia uma amostra usando um trado de incremento para amostragem.


Haglöf Inkrementbohrer Teile

Ersatz-Extraktoren, -Griffe und -Teile für Haglöf-Inkrementbohrer Zum Herausziehen von Holzkernen aus Bäumen oder frisch behandelten Pfählen, Pfählen, Bauholz oder Hölzern, um Wachstumsrate, Alter, Baumfestigkeit und chemische Durchdringung zu bestimmen. Die Teflon®-Beschichtung schützt das Gebiss vor Rost und Harzablagerungen und reduziert die Reibung. Die gehärtete Gummikappe ist mit einem Auszieher geschmiedet, damit sie sich nicht lösen kann. Inkrementelle Bohrer-Gebrauch und Pflegeheft enthalten. Ein Jahr Herstellergarantie. Ersatzteile sind zwischen Marken nicht austauschbar. Bei Bestellung von Ersatz-Bits und -Ausziehern senden Sie uns den Griff und die defekten Teile per versichertem Paketpost oder UPS, damit wir sicherstellen können, dass das richtige Bit und der richtige Auszieher passen. Wenn dies nicht praktikabel ist, müssen wir die vollständigen Spezifikationen des Griffs haben. Professioneller Inkrementbohrer-Reparaturservice Verlängern Sie die Nutzungsdauer Ihres Inkrementbohrers. Lassen Sie die Schneide schärfen und Gewinde umformen. Für Bits mit einer Länge von 4" bis 18" und einem Bitdurchmesser von bis zu 0,200" (5 mm) betragen die Kosten nur 34,00 USD zzgl. Versand. Für andere Bits fordern Sie ein Angebot an. (Hinweis: Kerben, Chips oder Risse mit einer Tiefe von mehr als 1/16 Zoll können nicht repariert werden.) Senden Sie Ihre Bits per versichertem Paketpost oder UPS, gekennzeichnet mit Ihrem Namen und Ihrer Adresse und sicher verpackt an: Forestry Suppliers, Inc., 205 West Rankin Street, Jackson, MS 39201-6126, Achtung: Reparaturabteilung. Ein Hinweis zur missbräuchlichen Verwendung von Inkrementbohrern Inkrementbohrer wurden speziell für die Verwendung mit den mitgelieferten Griffen entwickelt und konstruiert. Bei Nichteinhaltung der ausdrücklichen Gebrauchsanweisung (d. h. Verwendung des Bohrers mit einer Zimmermannsklammer und -bit, einer Bohrmaschine usw.) erlischt jede ausdrückliche oder stillschweigende Garantie von Forestry Suppliers, Inc. und dem Hersteller.

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Massenproduktion von entomopathogenen Hypocreales

8 Lagerung

Konidien von Beauveria bassiana, Metarhizium spp. und Isaria sind hygroskopisch. Daher Langzeitlagerung (> 6 Monate) von Konidien, insbesondere von vielen Metarhizium Isolate, sollten sich in luft- und wasserundurchlässigen Behältern befinden, wie z , USA), zusammen mit einem Trockenmittelpaket (zB Humisorb™, Sorbent Systems). Für eine optimale Langzeitlagerung sollten die trockenen Konidienpulver wie oben beschrieben (<−15°C) in einem manuellen, nicht frostfreien Gefrierschrank gelagert werden. Der letztere Typ wird periodischen Auftau- und Wiedereinfrierzyklen unterzogen, die für Pilzkonidien schädlich sind.


Inhalt

Die Unterteilung einer ganzen Domäne in einfachere Teile hat mehrere Vorteile: [2]

  • Präzise Darstellung komplexer Geometrie
  • Berücksichtigung unterschiedlicher Materialeigenschaften
  • Einfache Darstellung der Gesamtlösung
  • Erfassung lokaler Effekte.

Typische Arbeit aus der Methode beinhaltet:

  1. Aufteilen des Problembereichs in eine Sammlung von Unterbereichen, wobei jeder Unterbereich durch eine Reihe von Elementgleichungen zum ursprünglichen Problem dargestellt wird
  2. systematische Rekombination aller Sätze von Elementgleichungen zu einem globalen Gleichungssystem für die endgültige Berechnung.

Das globale Gleichungssystem hat bekannte Lösungstechniken und kann aus den Anfangswerten des ursprünglichen Problems berechnet werden, um eine numerische Antwort zu erhalten.

Im ersten Schritt oben sind die Elementgleichungen einfache Gleichungen, die sich lokal an die zu untersuchenden ursprünglichen komplexen Gleichungen annähern, wobei die ursprünglichen Gleichungen oft partielle Differentialgleichungen (PDE) sind. Um die Näherung in diesem Prozess zu erklären, wird die Finite-Elemente-Methode allgemein als Spezialfall der Galerkin-Methode eingeführt. Der Prozess besteht in mathematischer Sprache darin, ein Integral des inneren Produkts des Residuums und der Gewichtsfunktionen zu konstruieren und das Integral auf Null zu setzen. Einfach ausgedrückt ist es ein Verfahren, das den Näherungsfehler minimiert, indem es Versuchsfunktionen in die PDE einpasst. Das Residuum ist der durch die Versuchsfunktionen verursachte Fehler, und die Gewichtsfunktionen sind polynomielle Näherungsfunktionen, die das Residuum projizieren. Der Prozess eliminiert alle räumlichen Ableitungen von der PDE, wodurch die PDE lokal angenähert wird mit

Diese Gleichungssätze sind die Elementgleichungen. Sie sind linear, wenn die zugrunde liegende PDE linear ist und umgekehrt. Algebraische Gleichungssätze, die bei stationären Problemen auftreten, werden mit numerischen Methoden der linearen Algebra gelöst, während gewöhnliche Differentialgleichungssätze, die bei transienten Problemen auftreten, durch numerische Integration mit Standardtechniken wie dem Euler-Verfahren oder dem Runge-Kutta-Verfahren gelöst werden.

Im obigen Schritt (2) wird ein globales Gleichungssystem aus den Elementgleichungen durch eine Koordinatentransformation von den lokalen Knoten der Unterdomänen zu den globalen Knoten der Domäne erzeugt. Diese räumliche Transformation umfasst geeignete Orientierungsanpassungen, wie sie in Bezug auf das Referenzkoordinatensystem angewendet werden. Der Prozess wird häufig von FEM-Software unter Verwendung von Koordinatendaten durchgeführt, die aus den Teildomänen generiert werden.

FEM lässt sich am besten aus ihrer praktischen Anwendung verstehen, bekannt als Finite-Elemente-Analyse (FEA). Die FEA, wie sie im Ingenieurwesen angewendet wird, ist ein rechnerisches Werkzeug zur Durchführung von Ingenieuranalysen. Es umfasst die Verwendung von Netzgenerierungstechniken zum Unterteilen eines komplexen Problems in kleine Elemente sowie die Verwendung von Software, die mit einem FEM-Algorithmus codiert ist. Bei der Anwendung von FEA ist das komplexe Problem normalerweise ein physikalisches System mit der zugrunde liegenden Physik wie der Euler-Bernoulli-Beam-Beam-Gleichung, der Wärmegleichung oder den Navier-Stokes-Gleichungen, ausgedrückt entweder in PDE- oder Integralgleichungen, während die geteilten kleinen Elemente von Das komplexe Problem repräsentiert verschiedene Bereiche im physikalischen System.

FEA ist eine gute Wahl für die Analyse von Problemen in komplizierten Domänen (wie Autos und Ölpipelines), wenn sich die Domäne ändert (wie bei einer Festkörperreaktion mit einer beweglichen Grenze), wenn die gewünschte Genauigkeit über die gesamte Domäne variiert oder wenn die Lösung fehlt Glätte. FEA-Simulationen stellen eine wertvolle Ressource dar, da sie mehrere Instanzen der Erstellung und Prüfung von harten Prototypen für verschiedene High-Fidelity-Situationen entfernen. [ Zitat benötigt ] Beispielsweise ist es bei einer Frontalcrash-Simulation möglich, die Vorhersagegenauigkeit in "wichtigen" Bereichen wie der Front des Autos zu erhöhen und im Heck zu reduzieren (und damit die Kosten der Simulation zu senken). Ein weiteres Beispiel wäre die numerische Wettervorhersage, bei der es wichtiger ist, genaue Vorhersagen über die Entwicklung hochgradig nichtlinearer Phänomene (wie tropische Wirbelstürme in der Atmosphäre oder Wirbel im Ozean) als relativ ruhige Gebiete zu haben.

Ein Datum der Erfindung der Finite-Elemente-Methode ist zwar schwer zu nennen, aber die Methode entstand aus der Notwendigkeit, komplexe Elastizitäts- und Strukturanalyseprobleme im Bau- und Luftfahrtbau zu lösen. Seine Entwicklung lässt sich auf die Arbeiten von A. Hrennikoff [3] und R. Courant [4] Anfang der 1940er Jahre zurückverfolgen. Ein weiterer Pionier war Ioannis Argyris. In der UdSSR ist die Einführung der praktischen Anwendung der Methode normalerweise mit dem Namen Leonard Oganesyan verbunden. [5] In China schlug K. Feng in den späten 1950er und frühen 1960er Jahren auf der Grundlage der Berechnungen von Dammkonstruktionen eine systematische numerische Methode zur Lösung partieller Differentialgleichungen vor. Die Methode hieß die Finite-Differenzen-Methode nach dem Variationsprinzip, die eine weitere unabhängige Erfindung der Finite-Elemente-Methode war. Obwohl die Ansätze dieser Pioniere unterschiedlich sind, haben sie ein wesentliches Merkmal gemeinsam: die Netzdiskretisierung einer kontinuierlichen Domäne in eine Menge diskreter Unterdomänen, die normalerweise als Elemente bezeichnet werden.

Hrennikoffs Arbeit diskretisiert die Domäne unter Verwendung einer Gitteranalogie, während Courants Ansatz die Domäne in endliche dreieckige Unterbereiche unterteilt, um elliptische partielle Differentialgleichungen (PDEs) zweiter Ordnung zu lösen, die sich aus dem Problem der Torsion eines Zylinders ergeben. Courants Beitrag war evolutionär und stützte sich auf eine Vielzahl früherer Ergebnisse für PDEs, die von Rayleigh, Ritz und Galerkin entwickelt wurden.

Die Finite-Elemente-Methode erhielt in den 1960er und 1970er Jahren durch die Entwicklungen von JH Argyris mit Mitarbeitern der Universität Stuttgart, RW Clough mit Mitarbeitern der UC Berkeley, OC Zienkiewicz mit Mitarbeitern Ernest Hinton, Bruce Irons [6] und andere an der Swansea University, Philippe G. Ciarlet an der University of Paris 6 und Richard Gallagher mit Mitarbeitern an der Cornell University. Weitere Impulse kamen in diesen Jahren von verfügbaren Open Source Finite-Elemente-Programmen. Die NASA sponserte die ursprüngliche Version von NASTRAN, und die UC Berkeley machte das Finite-Elemente-Programm SAP IV [7] weit verbreitet. In Norwegen wurde Sesam 1969 von der Schiffsklassifikationsgesellschaft Det Norske Veritas (jetzt DNV GL) für die Analyse von Schiffen entwickelt. [8] Eine strenge mathematische Grundlage für die Finite-Elemente-Methode wurde 1973 mit der Veröffentlichung von Strang und Fix geliefert. [9] Die Methode wurde seitdem für die numerische Modellierung physikalischer Systeme in einer Vielzahl von Ingenieurdisziplinen verallgemeinert, z. B. Elektromagnetismus, Wärmeübertragung und Fluiddynamik. [10] [11]

Die Struktur von Finite-Elemente-Methoden Bearbeiten

Ein Finite-Elemente-Verfahren zeichnet sich durch eine Variationsformulierung, eine Diskretisierungsstrategie, einen oder mehrere Lösungsalgorithmen und Nachbearbeitungsverfahren aus.

Beispiele für die Variationsformulierung sind das Galerkin-Verfahren, das diskontinuierliche Galerkin-Verfahren, Mischverfahren usw.

Unter einer Diskretisierungsstrategie wird ein klar definierter Satz von Verfahren verstanden, der (a) die Erzeugung von Finite-Elemente-Netzen, (b) die Definition von Basisfunktionen auf Referenzelementen (auch Formfunktionen genannt) und (c) die Abbildung von Referenzen umfasst Elemente auf die Elemente des Netzes. Beispiele für Diskretisierungsstrategien sind die h-Version, p-Version, hp-Version, x-FEM, isogeometrische Analyse usw. Jede Diskretisierungsstrategie hat bestimmte Vor- und Nachteile. Ein vernünftiges Kriterium bei der Auswahl einer Diskretisierungsstrategie besteht darin, eine nahezu optimale Leistung für den breitesten Satz mathematischer Modelle in einer bestimmten Modellklasse zu erzielen.

Verschiedene numerische Lösungsalgorithmen können in zwei große Kategorien eingeteilt werden, direkte und iterative Löser. Diese Algorithmen wurden entwickelt, um die geringe Anzahl von Matrizen auszunutzen, die von der Wahl der Variationsformulierung und der Diskretisierungsstrategie abhängen.

Nachbearbeitungsverfahren sind für die Extraktion der interessierenden Daten aus einer Finite-Elemente-Lösung ausgelegt. Um die Anforderungen der Lösungsüberprüfung zu erfüllen, müssen Postprozessoren Folgendes vorsehen: A posteriori Fehlerabschätzung in Bezug auf die interessierenden Mengen. Wenn die Näherungsfehler größer als akzeptabel sind, muss die Diskretisierung entweder durch einen automatisierten adaptiven Prozess oder durch die Aktion des Analytikers geändert werden. Es gibt einige sehr effiziente Postprozessoren, die die Realisierung von Superkonvergenz ermöglichen.

Illustrative Probleme P1 und P2 Bearbeiten

Wir werden die Finite-Elemente-Methode anhand von zwei Beispielproblemen demonstrieren, aus denen die allgemeine Methode extrapoliert werden kann. Es wird davon ausgegangen, dass der Leser mit Analysis und linearer Algebra vertraut ist.

P1 ist a eindimensional Problem

P2 ist a zweidimensional Problem (Dirichlet-Problem)

Das Problem P1 kann direkt durch die Berechnung von Stammfunktionen gelöst werden. Diese Methode zur Lösung des Randwertproblems (BVP) funktioniert jedoch nur bei einer räumlichen Dimension und lässt sich nicht auf höherdimensionale Probleme oder Probleme wie u + u ″ = f . verallgemeinern . Aus diesem Grund werden wir die Finite-Elemente-Methode für P1 entwickeln und ihre Verallgemeinerung auf P2 skizzieren.

Unsere Erläuterung erfolgt in zwei Schritten, die zwei wesentliche Schritte widerspiegeln, die zur Lösung eines Randwertproblems (BVP) mit der FEM erforderlich sind.

  • Im ersten Schritt formuliert man den ursprünglichen BVP in seiner schwachen Form um. Für diesen Schritt ist normalerweise wenig bis keine Berechnung erforderlich. Die Transformation erfolgt von Hand auf Papier.
  • Der zweite Schritt ist die Diskretisierung, bei der die schwache Form in einem endlichdimensionalen Raum diskretisiert wird.

Nach diesem zweiten Schritt haben wir konkrete Formeln für ein großes, aber endlichdimensionales lineares Problem, dessen Lösung näherungsweise die ursprüngliche BVP löst. Dieses endlich-dimensionale Problem wird dann auf einem Computer implementiert.

Schwache Formulierung Bearbeiten

Der erste Schritt besteht darin, P1 und P2 in ihre äquivalenten schwachen Formulierungen umzuwandeln.

Die schwache Form von P1 Bearbeiten

Wir definieren einen neuen Operator oder eine neue Abbildung ϕ ( u , v ) , indem wir die Integration durch Teile auf der rechten Seite von (1) verwenden:

wobei wir die Annahme verwendet haben, dass v ( 0 ) = v ( 1 ) = 0 .


Anwendungen von monoklonalen Antikörpern: 4 Anwendungen

Dieser Artikel beleuchtet die vier Anwendungsarten monoklonaler Antikörper. Die vier Anwendungsarten sind: (1) Diagnostische Anwendungen (2) Therapeutische Anwendungen (3) Proteinreinigung und (4) Verschiedene Anwendungen.

Anwendung Nr. 1. Diagnoseanwendungen:

Monoklonale Antikörper haben die Labordiagnostik verschiedener Krankheiten revolutioniert. Zu diesem Zweck können MAbs als diagnostische Reagenzien für die biochemische Analyse oder als Werkzeuge für die diagnostische Bildgebung von Krankheiten verwendet werden.

(A) MAbs in der biochemischen Analyse:

Diagnostische Tests, die auf der Verwendung von MAbs als Reagenzien basieren, werden routinemäßig in Radioimmunoassays (RIA) und Enzyme-linked Immunosorbent Assays (ELISA) im Labor verwendet. Diese Assays messen die zirkulierenden Konzentrationen von Hormonen (Insulin, humanes Choriongonadotropin, Wachstumshormon, Progesteron, Thyroxin, Trijodthyronin, Schilddrüsen-stimulierendes Hormon, Gastrin, Renin) und mehreren anderen Gewebe- und Zellprodukten (Blutgruppenantigene, Blutgerinnungsfaktoren, Interferon& #8217s, Interleukine, Histokompatibilitätsantigene, Tumormarker). In den letzten Jahren sind eine Reihe diagnostischer Kits unter Verwendung von MAbs kommerziell erhältlich geworden. Beispielsweise ist es jetzt möglich, die folgenden Zustände/Krankheiten frühzeitig zu diagnostizieren.

Schwangerschaft durch Nachweis des Urinspiegels von humanem Choriongonadotropin.

Krebsabschätzung des karzinoembryonalen Antigens im Plasma bei Darmkrebs und Prostata-spezifischem Antigen bei Prostatakrebs. Neben der Diagnose ist die Abschätzung von Tumormarkern auch für die Prognose von Krebserkrankungen nützlich. Das heißt, nach der Behandlung wird ein allmählicher Abfall eines bestimmten Tumormarkers mit einer Verringerung der Tumorgröße beobachtet.

Hormonell Störungen:

Analyse hormoneller Störungen von Thyroxin, Trijodthyronin und Schilddrüsen-stimulierendem Hormon bei Schilddrüsenerkrankungen.

Ansteckend Krankheiten:

Infektionskrankheiten durch Nachweis der Kreislaufspiegel von Antigenen, die für das infektiöse Agens spezifisch sind, z. B. Antigene von Neisseria gonorrhoeae und Herpes-simplex-Virus zur Diagnose von sexuell übertragbaren Krankheiten.

(B) MAbs in der diagnostischen Bildgebung:

Radiomarkierte – MAbs werden in der diagnostischen Bildgebung von Krankheiten verwendet, und diese Technik wird als Immunszintigraphie bezeichnet. Die üblicherweise zur Markierung von MAb verwendeten Radioisotope sind Jod-131 und Technetium-99. Die mit Radioisotop markierten MAb werden den Patienten intravenös injiziert.

Diese MAbs lokalisieren an bestimmten Stellen (z. B. einem Tumor), die durch Abbildung der Radioaktivität nachgewiesen werden können. In den letzten Jahren wurden Einzelphotonen-Emissions-Computertomographie-(SPECT)-Kameras verwendet, um ein empfindlicheres dreidimensionales Erscheinungsbild der von radioaktiv markierten MAbs lokalisierten Flecken zu erhalten.

Die Immunszintigraphie ist ein besseres diagnostisches Werkzeug als die anderen bildgebenden Verfahren wie CT, Ultraschall und Magnetresonanz. Beispielsweise kann die Immunszintigraphie zwischen kanzerösem und nicht-kanzerösem Wachstum unterscheiden, da radioaktiv markierte MAbs tumorspezifisch sind. Dies ist mit anderen bildgebenden Verfahren nicht möglich. Monoklonale Antikörper werden erfolgreich in der diagnostischen Bildgebung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Krebs und bakteriellen Infektionsherden eingesetzt.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen:

Herzinfarkt:

Das kardiale Protein Myosin wird überall dort freigelegt, wo eine Myokardnekrose (Tod von Herzzellen) auftritt. Mit dem Radioisotop Indiumchlorid ( 111 In) markierter Antimyosin-MAb wird zum Nachweis von Myosin und damit der Myokardinfarktstelle verwendet. Die Bildgebung von radioaktiv markierten MAb erfolgt normalerweise nach 24-48 Stunden intravenöser Verabreichung.

Dies erfolgt entweder durch eine Planer-Gammakamera oder eine Single-Photon-Emissions-Computertomographie (SPECT). Es ist möglich, den Ort und das Ausmaß der Schädigung des Herzens zu erkennen, indem radioaktiv markierter Antimyosin-MAb verwendet wird. Somit ist diese Technik für die Diagnose von Herzinfarkten nützlich.

Tiefe Venenthrombose (TVT):

TVT bezieht sich auf die Bildung von Blutgerinnseln (Thrombus) in den Blutvenen, hauptsächlich in den unteren Extremitäten. Für den Nachweis von TVT können radioisotopenmarkierte MAb verwendet werden, die gegen Fibrin oder Blutplättchen gerichtet sind. Die Bildgebung erfolgt in der Regel nach 4 Stunden Injektion. Fibrinspezifische MAbs werden erfolgreich zum Nachweis von Gerinnseln im Oberschenkel-, Becken-, Waden- und Kniebereich eingesetzt.

Die Verdickung und der Elastizitätsverlust der Arterienwände wird als Arteriosklerose bezeichnet. Atherosklerotische Plaques verursachen Erkrankungen der koronaren und peripheren Arterien. Atherosklerose wird mit der Entstehung von Herzerkrankungen in Verbindung gebracht. Mit einem gegen aktivierte Blutplättchen gerichteten radioaktiven Marker markierte MAb können verwendet werden, um die atherosklerotischen Läsionen durch bildgebende Verfahren zu lokalisieren.

Heute sind monoklonale Antikörper gegen viele Krebsarten beim Menschen erhältlich. Eine ausgewählte Liste von Tumormarkern (zusammen mit den assoziierten Krebsarten), die für die MAb-Bildgebung verwendet werden können, ist in Tabelle 17.2 aufgeführt. Tumore können bei Patienten lokalisiert werden, die radioisotopenmarkierte MAbs verwenden, die spezifisch für das/die Protein(e) sind, insbesondere von Membranursprung.

Bestimmte Krebsarten (Lungenkrebs, Brustkrebs, Eierstockkrebs, Malanom, Dickdarmkrebs) konnten durch den Einsatz von MAbs in frühen Stadien nachgewiesen werden. Mit diesem Ansatz wurde eine Spezifität von etwa 80 Prozent für die Erkennung von Krebserkrankungen erreicht.

Ein mit Jod (1 31 l) markierter monoklonaler Antikörper, der spezifisch für Brustkrebszellen ist, erkennt bei Verabreichung an die Patientinnen (durch Bildgebung) die Ausbreitung von Krebs (Metastasierung) auf andere Körperregionen. Dies ist durch Scantechniken nicht möglich.

Die Bildgebungstechnik unter Verwendung von MAb kann auch verwendet werden, um therapeutische Reaktionen eines Krebses zu überwachen. Es gibt bestimmte Einschränkungen bei der Verwendung von MAb bei der Krebsdiagnose und -prognose. Dazu gehören die Schwierigkeit bei der Auswahl eines spezifischen MAb und der Zugang von MAb zum Zielort des Tumors, der möglicherweise weniger vaskularisiert ist.

MAbs in der Immunhistopathologie von Krebserkrankungen:

Die pathologischen Veränderungen des Krebsgewebes können durch immunhistochemische Verfahren nachgewiesen werden. Dies kann durch die Verwendung von MAb gegen ein spezifisches Antigen erfolgen.

MAbs bei hämatopoetischen Malignomen:

Hämatopoetische Stammzellen im Knochenmark sind die Vorläufer für verschiedene Blutzellen, B- und T-Lymphozyten, die in einer schrittweisen Transformation hergestellt werden. Während der Malignität stoppt die Transformation von Lymphozyten in einem bestimmten Reifungsstadium. Dies kann durch die Verwendung von stadienspezifischen MAbs nachgewiesen werden.

Bakterielle Infektionen:

In den letzten Jahren wird versucht, die Infektionsherde mit Hilfe von MAbs zu erkennen. Dies wird ermöglicht, indem MAb gegen bakterielle Antigene gerichtet wird. Darüber hinaus sind auch monoklonale Antikörper gegen entzündliche Leukozyten, die sich an der Infektionsstelle ansammeln, nützlich, um lokalisierte Infektionen spezifisch nachzuweisen.

Anwendung # 2. Therapeutische Anwendungen:

Monoklonale Antikörper haben ein breites Spektrum an therapeutischen Anwendungen. MAbs werden bei der Behandlung von Krebs, Transplantationen von Knochenmark und Organen, Autoimmunerkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Infektionskrankheiten verwendet.

Die therapeutischen Anwendungen von MAbs werden grob in 2 Typen eingeteilt:

(A) Direkte Verwendung von MAbs als Therapeutika

(B) MAbs als Targeting-Agenten.

(A) MAbs als direkte therapeutische Wirkstoffe:

Monoklonale Antikörper können direkt zur Verstärkung der Immunfunktion des Wirts verwendet werden. Die direkte Verwendung von MAbs verursacht eine minimale Toxizität für die Zielgewebe oder den Wirt.

Bei der Zerstörung von krankheitserregenden Organismen:

MAbs fördern eine effiziente Opsonisierung pathogener Organismen (durch Beschichtung mit Antikörpern) und fördern die Phagozytose. Tatsächlich wurde festgestellt, dass MAbs Schimpansen vor bestimmten viralen (Hepatitis B-Virus) und bakteriellen (E. coli Haemophilus influenza, Streptococcus sp und Pseudomonas sp) Infektionen schützen.

Bei der Behandlung von Krebs:

MAbs gegen die Antigene auf der Oberfläche von Krebszellen sind für die Behandlung von Krebs nützlich. Die Antikörper binden an die Krebszellen und zerstören sie. This is brought out by antibody—dependent cell-mediated cytotoxicity, complement-mediated cytotoxicity and phagocytosis of cancer cells (coated with MAbs) by reticuloendothelial system.

The patients suffering from leukemia, colorectal cancer, lymphoma and melanoma have been treated with MAbs. However, there was a wide variation in the success rate. A monoclonal antibody specific to the cells of leukemia is used to destroy the residual leukemia cells without affecting other cells. MAbs are used in vitro to remove the residual tumor cells prior to autologous bone marrow transplantation (transplantation of the patient’s own bone marrow cells, due to non-availability of a suitable donor).

Limitations for direct use of MAbs in cancer:

1. The MAbs produced in mice and directly used for therapeutic purposes may lead to the development of anti-mouse antibodies and hypersensitivity reactions.

2. All the cancer cells may not carry the same antigen for which MAb has been produced. Thus, MAbs may not be attached to some cancer cells at all.

3. The free antigens (of target cells) present in the circulation may bind to MAbs and prevent them from their action on the target cells.

In the immunosuppression of organ transplantation:

In the normal medical practice, immuno­suppressive drugs such as cyclosporin and prednisone are administered to overcome the rejection of organ transplantation. In recent years, MAbs specific to T-lymphocyte surface antigens are being used for this purpose. The monoclonal antibody namely OKT3, was the first MAb to be licensed by U.S.

Food and Drug Administration for use as immunosuppressive agent after organ transplantation in humans. OKT3 specifically directed against CD3 antigen of T-lymphocytes is successfully used in renal and bone marrow transplantations. In the normal course, CD3 antigen activates T-lymphocytes and plays a key role in organ transplant rejection (destroys the foreign cells in the host). This is prevented by use of MAb against CD3 Antigen.

In the treatment of AIDS:

Immunosuppression is the hall mark of AIDS. This is caused by reduction in CD4 (cluster determinant antigen 4) cells of T-lymphocytes. The human immunodeficiency virus (HIV) binds to specific receptors on CD4 cells by using surface membrane glycoprotein (gp120).

Genetic engineers have been successful to attach Fc portion of mouse monoclonal antibody to human CD4 Molekül. This complex has high affinity to bind to membrane glycoprotein gp120 of virus infected cells. The Fc fragment induces cell-mediated destruction of HIV infected cells (Fig. 17.7).

In the treatment of autoimmune diseases:

Autoimmune diseases like rheumatoid arthritis and multiple sclerosis are of great concern. Some success has been reported in the clinical trials of rheumatoid arthritis patients by using MAbs directed against T-lymphocytes and B-lymphocytes.

(B) MAbs as Targeting Agents in Therapy:

Toxins, drugs, radioisotopes etc., can be attached or conjugated to the tissue-specific monoclonal antibodies and carried to target tissues for efficient action. This allows higher concentration of drugs to reach the desired site with minimal toxicity. In this way, MAbs are used for the appropriate delivery of drugs or isotopes.

MAbs in use as immunotoxins:

The toxins can be coupled with MAbs to form immunotoxins and used in therapy e.g., diphtheria toxin, Pseudomonas exotoxin, toxins used for cancer treatment. Anti-Tac MAb raised against IL2-R (T-cell growth factor receptor) can be conjugated with exotoxin of Pseudomonas sp. This immunotoxin can be used to destroy the malignant T-cells in the patients suffering from T-cell leukemia (Note: IL2-R is expressed in abnormal T-cells with lymphoid malignancies).

Ricin is a cytotoxic protein derived from castor oil plant. It is composed of two polypeptide chains (A and B) held together by a disulfide linkage. The B-chain of ricin binds to the cell surface. This binding facilitates the A-chain of ricin to enter the cell and inhibit the function of ribosomes (i.e. biosynthesis of all proteins is blocked).

This results in the death of cells (Fig. 17.8A). Ricin can be subjected to oxidation to separate to A and B chains. The toxic A-chain can be conjugated to MAb that is specific to cancer cells. The tumor- specific MAb bound to A-chain of ricin binds to cancer cells and not to normal cells. Once the A-chain enters the cells, it blocks ribosomal function, leading to the death of cancer cells (Fig. 17.8B).

MAbs in drug delivery:

In general, the drugs are less effective in vivo (in the living body) when compared to in vitro (in laboratory when tested with cultured cells). This is mainly due to the fact that sufficient quantity of the drug does not reach the target tissue. This problem can be -solved by using tissue-specific MAbs. The drugs can be coupled with MAb (directed against a cell surface antigen of the cells, say a tumor) and specifically targeted to reach the site of action (Fig. 17.9A).

In the treatment of certain diseases, a pro-drug (an inactive form of the drug) can be used. This can be enzymatically converted to active drug in the target tissues. For this purpose, the enzyme (that converts pro-drug to drug) is coupled with MAb that is directed against a specific cell surface antigen (Fig. 17.9A). This approach, referred to as antibody-directed enzyme pro-drug therapy (ADEPT), allows an effective delivery of the drug to the cells where it is required.

The following are some examples of enzymes that have been used in ADEPT:

ich. Alkaline phosphatase for the conversion of phosphate pro-drugs.

ii. Carboxy peptidase for converting inactive carboxyl pro-drugs to active drugs.

iii. Lactamase for hydrolyzing β-lactam ring containing antibiotics.

MAbs in the dissolution of blood clots:

A great majority of natural deaths are due to a blockage in cornary or cerebral artery by a blood clot (thrombus). Fibrin is the major constituent of blood clot which gets dissolved by plasmin. Plasmin in turn is formed by the activation of plasminogen by plasminogen activator. The blockage of arteries occurs due to inadequate dissolution of blood clots. Tissue plasminogen activator (tPA) can be used as a therapeutic agent to remove the blood clots.

A monoclonal antibody directed against fibrin can be coupled to tPA and used for degradation of blood clots. MAb-tPA complex due to a high affinity gets attached to fibrin (Fig. 17.10). Due to the concentration of tPA at the target spots, there is more efficient conversion of plasminogen to plasmin which in turn dissolves blood clot (fibrin). Good success of clot lysis has been reported by using MAb-tPA complex in experimental animals.

Drug delivery through liposomes coupled to tissue-specific MAbs:

Liposomes are sacs or vesicles formed spontaneously when certain lipid molecules are exposed to aqueous environment. Drug entrapped in liposomes that are coated with MAbs directed against tissue-specific antigens are being tried for drug delivery. Unfortunately, the progress in this approach has been limited, since such liposomes do not reach the target cells. They are retained mostly in the liver and spleen (reticuloendothelial cells), and degraded.

MAbs in radio immunotherapy (RAIT):

The radioisotopes can be coupled to MAbs that are directed against tumor cells. This allows the concentration of radioactivity at the desired sites and a very efficient killing of target cells (tumor cells). The advantage with radio immunotherapy is that conjugated complex need not penetrate the cells, as is required in immunotoxin therapy.

The limitation is that the neighbouring normal cells may also get damaged or killed. This can be minimized by using radioisotopes with short half-lives. Yttrium-90 with a half-life of 64 hours is a suitable isotope to be employed in RAIT. Due to shortage in the supply of yttrium-90, indium-111 is more commonly used.

Application # 3. Protein Purification:

Monoclonal antibodies can be produced for any protein. And the so produced MAb can be conveniently used for the purification of the protein against which it was raised. MAbs columns can be prepared by coupling them to cyanogen bromide activated Sepharose (chromatographic matrix). The immobilized MAbs in this manner are very useful for the purification of proteins by immunoaffinity method.

Vorteile:

There are certain advantages of using MAbs for protein purification. These include the specificity of the MAb to bind to the desired protein, very efficient elution from the chromatographic column and high degree of purification. Immunoaffinity chromatography is routinely used for the purification of recombinant interferon’s. The efficiency of this technique will be obvious from the fact that by a single step, it is possible to achieve more than 5,000 fold purification of interferon-α2.

Nachteile:

It is not possible to achieve 100% purity of the target protein by immunoaffinity. This is due to the fact that a small quantity of MAb leaks into the elution. Further, MAbs cannot distinguish between the intact target protein and a fragment of it with the antigenic site.

Application # 4. Miscellaneous Applications:

(A) Catalytic MAbs (ABZYMES):

Catalysis is the domain of enzymes. The most important common character between enzymes and antibodies is that both are proteins. Further, the binding of an antibody to its antigen is comparable to the binding of an enzyme to its substrate. In both instances, the binding is specific with high affinity and involves weak and non-covalent interactions (electrostatic, hydrogen and van der Waals forces). The striking difference is that the enzyme alters the substrate (to a product) while the antigen bound to antibody remains unaltered.

Certain similarities between enzyme-substrate interaction and antibody-antigen interaction have tempted researchers to explore the possibility of using antibodies in catalysis. The antibody enzymes, appropriately regarded as abzymes, are the catalytic antibodies. There is a difference in the antibody recognition of an antigen and enzyme recognition of a substrate. While the antibodies recognize in ground state, the enzymes recognize in a transition state (associated with a conformational change of protein).

In fact, it is in the transition condition the catalysis occurs. If a molecule resembling the transition state and conformation (between substrate and product) could be used as a hapten the antibodies so produced should bring about catalysis. This is what precisely is done to create abzymes.

Researchers have produced a hapten-carrier complex which resembles the transition state of an ester undergoing hydrolysis. This hapten conjugate is used to generate anti-hapten monoclonal antibodies. These MAbs could bring about hydrolysis of esters with great degree of specificity (to the transition state to which MAbs were raised).

Besides ester hydrolysis, there are several other types of reactions wherein antibodies can be used. These include hydrolysis of amides and carbonates, cyclization reactions, elimination reactions and bio-molecular chemical reactions. Certain enzymes require cofactors for their catalytic function. MAbs incorporating metal ions have been developed to carry out catalysis.

Lerner and his associates carried out pioneering work in the development of abzymes. They could create a large number of immunoglobulin-gene libraries for the production of antibodies that could be screened for their catalytic function. Abzymes represent a major biotechnological advancement that will have a wide range of applications (cutting of peptides and DNAs, dissolution of blood clots, killing of viruses etc.)

Advantages of abzymes:

The number of naturally occurring enzymes and their catalytic functions are limited. Antibodies, on the other hand, are unlimited, and may be developed to possess recognized site structures, appropriate for the catalytic functions. This makes abzymes versatile with wide ranging catalytic applications. Thus, the area of abzyme technology is very promising, although the studies are at preliminary stages.

Limitations of abzymes:

Despite the progress made in the production and utility of abzymes, it is doubtful whether they will ever match the natural enzymes in their catalytic function. However, the abzymes will be certainly useful for a variety of reactions where the natural enzymes do not have the desired specificities.

(B) Autoantibody Fingerprinting:

The occurrence of autoantibodies and their involvement in certain diseases is well known (e.g. rheumatic arthritis). A new category of individual specific (IS) autoantibodies have been discovered in recent years. These IS-autoantibodies are produced after birth and reach maximum in number by 2 years, and then remain constant for the later part of life.

Monoclonal antibodies produced against IS-autoantibodies can be used for their detection, and identification of individuals. This technique referred to as autoantibody finger­printing, is particularly useful for the detection of criminals, rapists etc. The autoantibodies collected from samples such as blood, saliva, semen and tears can be used.


3 Hypothesis for molecular and cellular mechanisms of FIR effects

Despite all these different uses of FIR in medical applications, the exact mechanisms of the hyperthermic effects and biological activities of FIR irradiation are still poorly understood. It is clear that two kinds of FIR therapy may exist. The first type (FIR saunas and some FIR generators powered by electricity) uses irradiances or power densities (tens of mW/cm 2 ) that are sufficient to heat up the tissue, while others such as ceramic discs, powders, and fabrics (that use no external power but rely on energy from the body) have such low irradiances that they do not heat the tissue (0.1𠄵 mW/cm 2 ). The question arises to what extent are the fundamental mechanisms of these two forms of FIR therapy the same, and to what extent are they different ? Furthermore, the question may be posed as to what degree of similarity that FIR therapy has with the reasonably well-established therapy called low level laser (light) therapy (LLLT) also known as photobiomodulation (PBM). Pertinent to this question is the fact that many devices used to deliver therapeutic visible or NIR light were approved by the US Food and Drug Administration as being equivalent to an “ infrared heat lamp ”. The cellular and molecular mechanisms of LLLT/PBM are to some extent understood and involve absorption of red or NIR light by mitochondrial chromophores such as cytochrome c oxidase (CCO, unit IV of the mitochondrial respiratory chain) [43]. This photon absorption activates the enzyme possibly by photo-dissociating the inhibitory molecule, NO, from the copper B (CuB) site [44]. This loss of NO allows electron transport, oxygen consumption, and adenosine triphosphate (ATP) to rapidly increase and results in a marked rise in mitochondrial membrane potential (MMP) that gives rise to a brief burst of ROS [45]. Signaling pathways are activated by ATP, NO, and ROS and these lead to activation of transcription factors (such as NF-㮫) [46] that lead to the long-term effects on tissue (healing, anti-inflammatory and pain relief [47]) seen after relatively transient periods of illumination.

Since the principle chromophore at FIR wavelengths is not CCO but rather water, we must ask ourselves how can the biological effects of red and NIR absorption be so similar to those seen with FIR ? Perhaps some clue can be obtained by considering the difference between the two types of FIR therapy (heating and non-heating). While heating FIR therapy is reported to increase blood flow, this result may be the simple response of increased thermoregulation that is known to occur when tissue is warmed. However, it is possible that the increase in blood flow, seen in non-heating FIR therapy, may be similar in nature to that seen in LLLT, in other words, a vasodilation due to NO release from stores in CCO [48] as well as from NO bound to hemoglobin and myoglobin [49]. How are we to explain cellular responses from low fluences of FIR that are insufficient to produce bulk heating of water in the tissue ? Perhaps the answer lies in the concept of nanostructured water layers [50]. These are thin (nano meters) layers of water that build up on hydrophobic surfaces such as cellular membranes, and they can be considered as 𠇌oncentrated water ” [51]. If this description is correct, it is reasonable to assume that relatively small amounts of vibrational energy delivered by non-heating FIR could perturb the structure of the membrane underlying the nanoscopic water layer without bulk heating. Small perturbations in membrane structure could have big effects at the cell level if the membrane contains an ion channel. Ion channels (many kinds for both cations and anions [52]) are present in all cell membranes, but are particularly common in mitochondrial membranes (both inner and outer [53]). If mitochondrial ion channels (particularly calcium channels [54]) could be opened by non-heating FIR, thus increasing mitochondrial respiration, it would explain how the overall therapeutic outcomes of LLLT and non-heating FIR therapy are so similar.

It cannot be excluded that FIR could itself have effects on CCO activity. A recent study has elucidated the existence of weakly H-bonded water molecules in bovine CCO that might change during catalysis [55]. Fitting with Gaussian components indicated the involvement of up to eight waters in the photolysis transition. The fact that Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy is extensively employed to study the structure, function, and dynamics of CCO [56, 57] suggests that it is possible that the same wavelengths (FIR uses comparable wavelengths to FTIR) could produce changes in conformation affecting enzyme activity or binding of NO to the CuB site.

It must be emphasized that the above remains a hypothetical explanation at present, but is clearly a testable hypothesis. One could ask whether exposure of cells to non-heating FIR can affect mitochondria by for instance increasing ATP, increasing oxygen consumption, producing NO and ROS, affecting MMP and calcium levels. One could also ask whether cells that are rich in mitochondria respond well to non-heating FIR, in the same way as they do to LLLT.


7. Attach a Cover Letter to Your Biology Resume

If you&rsquore thinking if you should include a cover letter, then let&rsquos make it super clear&mdashyes, you do.

Write a biology cover letter that Alexander Fleming would be interested in with the following tips:

  • Use a sleek, modern cover letter format.
  • Use a &ldquohook&rdquo to start your cover letter right.
  • Show that your experience and job skills translate into exactly what they need.
  • Use a call to action to end your cover letter.

It&rsquos easy to, but don&rsquot go overboard and write a case study. The ideal length of an effective cover letter is 1 page.

Plus, a great cover letter that matches your resume will give you an advantage over other candidates. You can write it in our cover letter builder here. Here's what it may look like:

And once you have all that sent, remember to follow up on your job application! Twiddling your thumbs doesn&rsquot make things happen in the lab and it&rsquos not going to make things happen in your job hunt!

That&rsquos the rundown of a successful biology resume.

Thanks for reading. Have any tips or tricks to share about creating the perfect biology resume? Share them in the comments below!


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  1. Fausida

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