@phdthesis{Schlauersbach2023,
  author    = {Schlauersbach, Jonas},
  title     = {The bile-drug-excipient interplay},
  doi       = {10.25972/OPUS-29653},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-296537},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {The bile system in vertebrates is an evolutionary conserved endogenous solubilization system for hydrophobic fats and poorly water-soluble vitamins. Bile pours out from the gallbladder through the common bile duct into the duodenum triggered by cholecystokinin. Cholecystokinin is released from enteroendocrine cells after food intake. The small intestine is also the absorption site of many orally administered drugs. Most emerging drug candidates belong to the class of poorly water-soluble drugs (PWSDs). Like hydrophobic vitamins, these PWSDs might as well be solubilized by bile. Therefore, this natural system is of high interest for drug formulation strategies. Simulated intestinal fluids containing bile salts (e.g., taurocholate TC) and phospholipids (e.g., lecithin L) have been widely applied over the last decade to approximate the behavior of PWSDs in the intestine. Solubilization by bile can enhance the oral absorption of PWSDs being at least in part responsible for the positive "food effect". The dissolution rate of PWSDs can be also enhanced by the presence of bile. Furthermore, some PWSDs profit from supersaturation stabilization by bile salts. Some excipients solubilizing PWSDs seemed to be promising candidates for drug formulation when investigated in vitro without bile. When tested in vivo, these excipients reduced the bioavailability of drugs. However, these observations have been hardly examined on a molecular level and general links between bile interaction in vitro and bioavailability are still missing. This thesis investigated the interplay of bile, PWSDs, and excipients on a molecular level, providing formulation scientists a blueprint for rational formulation design taking bile/PWSD/excipient/ interaction into account. The first chapter focus on an in silico 1H nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy-based algorithm for bile/drug interaction prediction. Chapter II to IV report the impact of excipients on bioavailability of PWSDs interacting with bile. At last, we summarized helpful in vitro methods for drug formulation excipient choice harnessing biopharmaceutic solubilization in chapter V. Chapter I applies 1H NMR studies with bile and drugs on a large scale for quantitative structure-property relationship analysis. 141 drugs were tested in simulated intestinal media by 1H NMR. Drug aryl-proton signal shifts were correlated to in silico calculated molecular 2D descriptors. The probability of a drug interacting with bile was dependent on its polarizability and lipophilicity, whereas interaction with lipids in simulated intestinal media components was dependent on molecular symmetry, lipophilicity, hydrogen bond acceptor capability, and aromaticity. The probability of a drug to interact with bile was predictive for a positive food effect. This algorithm might help in the future to identify a bile and lipid interacting drug a priori. Chapter II investigates the impact of excipients on bile and free drug fraction. Three different interaction patterns for excipients were observed. The first pattern defined excipients that interacted with bile and irreversibly bound bile. Therefore, the free drug fraction of bile interacting drugs increased. The second pattern categorized excipients that formed new colloidal entities with bile which had a high affinity to bile interacting drugs. These colloids trapped the drug and decreased the free drug fraction. The last excipient pattern described excipients that formed supramolecular structures in coexistence with bile and had no impact on the free drug fraction. These effects were only observed for drugs interacting with bile (Perphenazine and Imatinib). Metoprolol's free drug fraction, a compound not interacting with bile, was unaffected by bile or bile/excipient interaction. We hypothesized that bile/excipient interactions may reduce the bioavailability of bile interacting drugs. Chapter III addresses the hypothesis from chapter II. A pharmacokinetic study in rats revealed that the absorption of Perphenazine was reduced by bile interacting excipients due to bile/excipient interaction. The simultaneous administration of excipient patterns I and II did not further reduce or enhance Perphenazine absorption. Conversely, the absorption of Metoprolol was not impacted by excipients. This reinforced the hypothesis, that drugs interacting with bile should not be formulated with excipients also interacting with bile. Chapter IV further elaborates which in vitro methods using simulated intestinal fluids are predictive for a drug's pharmacokinetic profile. The PWSD Naporafenib was analyzed in vitro with simulated intestinal fluids and in presence of excipients regarding solubility, supersaturation, and free drug fraction. Naporafenib showed a strong interaction with TC/L from simulated bile. Assays with TC/L, but not without identified one excipient as possibly bioavailability reducing, one as supersaturation destabilizing, and the last as bile not interacting and supersaturation stabilizing excipient. A pharmacokinetic study in beagle dogs outlined and confirmed the in vitro predictions. The Appendix summarizes in vivo predictive methods as presented in chapter I to IV and rationalizes experimental design paving the way towards a biopharmaceutic excipient screening. The first presented preliminary decision tree is transformed into a step-by-step instruction. The presented decision matrix might serve as a blueprint for processes in early phase drug formulation development. In summary, this thesis describes how a drug can be defined as bile interacting or non-interacting and gives a guide as well how to rate the impact of excipients on bile. We showed in two in vivo studies that bile/excipient interaction reduced the bioavailability of bile interacting drugs, while bile non-interacting drugs were not affected. We pointed out that the bile solubilization system must be incorporated during drug formulation design. Simulated gastrointestinal fluids offer a well-established platform studying the fate of drugs and excipients in vivo. Therefore, rational implementation of biopharmaceutic drug and excipient screening steers towards efficacy of oral PWSD formulation design.},
  subject      = {Solubilisation},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Gruene2022,
  author    = {Gr{\"u}ne, Marvin},
  title     = {Solid-state NMR Spectroscopic, X-Ray Diffraction and Quantum Chemical Investigations of the Crystalline Cancer Drug Paclitaxel and Paclitaxel incorporated into Polymer Micelles},
  doi       = {10.25972/OPUS-23719},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-237199},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Paclitaxel (PTX) is one of the leading drugs against breast and ovarian cancer. Due to its low solubility, treatment of the patients with this drug requires a very well-suited combination with a soluble pharmaceutical excipient to increase the bioavailability and reduce the strong side ef-fects. One efficient way to achieve this in the future could be the incorporation of PTX into pol-ymeric micelles composed of poly(2-oxazoline) based triblock copolymers (POL) which ena-bles PTX loadings of up to 50 wt.\%. However, structural information at an atomic level and thus the knowledge of interaction sites within these promising but complex PTX-POL formula-tions were not yet available. Such results could support the future development of improved excipients for PTX and suitable excipients for other pharmaceutical drugs. Therefore, a solid-state MAS NMR investigation of these amorphous formulations with different POL-PTX com-positions was performed in this thesis as this gives insights of the local structure at an atomic level in its solid state. NMR in solution showed very broad 13C signals of PTX for this system due to the reduced mobility of the incorporated drug which exclude this as an analytical meth-od. In a first study, crystalline PTX was structurally characterized by solid-state NMR as no com-plete 13C spectrum assignment and no 1H NMR data existed for the solid state. In addition, the asymmetric unit of the PTX crystal structure consists of two molecules (Z'=2) that can only be investigated in its solid state. As crystalline PTX in total has about 100 different 13C and 1H chemical shifts with very small differences due to Z'=2, and furthermore, its unit cell consisting of more than 900 atoms, accompanying GIPAW (CASTEP) calculations were required for NMR signal assignments. These calculations were performed using the first three available purely hydrous and anhydrous PTX structures, which were determined by XRD and published by Vel-la-Zarb et al. in 2013. Within this thesis, is was discovered that two investigated batches of commercially available PTX from the same supplier both contained an identical and so far un-known PTX phase that was elucidated by PXRD as well as solid-state NMR data. One of the two batches consists of an additional phase that was shown to be very similar to a known hy-drated phase published in 2013.[1] By heating the batch with the mixture of the two phases un-der vacuum, it is transformed completely to the new dry phase occurring in both PTX batches. Since the drying conditions to obtain anhydrous PTX in-situ on the PXRD setup described by Vella-Zarb et. al.[1] were much softer than ours, we identify our dry phase as a relaxed version of their published anhydrate structure. The PXRD data of the new anhydrate phase was trans-ferred into a new structural model, which currently undergoes geometry optimization. Based on solid-state NMR data at MAS spinning frequencies up to 100 kHz, a 13C and a partial 1H signal assignment for the new anhydrous structure were achieved. These results provided sufficient structural information for further investigations of the micellar POL-PTX system. In a second study, the applicability and benefit of two-dimensional solid-state 14N-1H HMQC MAS NMR spectra for the characterization of amorphous POL-PTX formulations was investi-gated. The mentioned technique has never been applied to a system of similar complexity be-fore and was chosen because around 84\% of the small-molecule drugs contain at least one nitrogen atom. In addition, the number of nitrogen atoms in both POL and PTX is much smaller than the number of carbons or hydrogens, which significantly reduces the spectral complexity. 14N has a natural abundance of 99.6\% but leads to quadrupolar broadening due to its nuclear spin quantum number I = 1. While this is usually undesirable due to broadening in the resulting 1D 14N NMR spectra, this effect is explicitly used in the 2D 14N-1H HMQC MAS experiment. The indirect 14N measurement can avoid the broadening while maintaining the advantage of the high natural abundance and making use of the much more dispersed signals due to the additional quadrupolar shifts as compared to 15N. This measurement method could be successfully applied to the complex amorphous POL-PTX mixtures. With increasing PTX loading of the formulations, additional peaks arise as spatial proximities of the amide nitrogens of POL to NH or OH groups of PTX. In addition, the 14N quadrupolar shift of these amide nitrogens decreases with increasing PTX content indicating a more symmetric nitrogen environment. The latter can be explained by a transformation of the trigonal planar coordination of the tertiary amide nitrogen atoms in pure POL towards a more tetrahedral environment upon PTX loading induced by the formation of hydrogen bonds with NH/OH groups of PTX. In the third and last project, the results of the two abovementioned studies were used and ex-tended by solid state 13C and two-dimensional 1H-13C as well as 1H-1H MAS NMR data with the aim to derive a structural model of the POL-PTX formulations at an atomic level. The knowledge of the NMR signal assignments for crystalline PTX was transferred to amorphous PTX (present in the micelles of the formulations). The 13C solid-state NMR signals were evalu-ated concerning changes in chemical shifts and full widths of half maximum (FWHM) for the different PTX loadings. In this way, the required information about possible interaction sites at an atomic level becomes available. Due to the complexity of these systems, such proximities often cannot be assigned to special atoms, but more to groups of atoms, as the individual de-velopments of line widths and line shifts are mutually dependent. An advantageous aspect for this analysis was that pure POL already forms unloaded micelles. The evaluation of the data showed that the terminal phenyl groups of PTX seem to be most involved in the interaction by the establishment of the micelle for lowest drug loading and that they are likely to react to the change in the amount of PTX molecules as well. For the incorporation of PTX in the micelles, the following model could be obtained: For lowest drug loading, PTX is mainly located in the inner part of the micelles. Upon further increasing of the loading, it progressively extends to-ward the micellar shell. This could be well shown by the increasing interactions of the hydro-phobic butyl chain of POL and PTX, proceeding in the direction of the polymer backbone with rising drug load. Furthermore, due to the size of PTX and the hydrodynamic radius of the mi-celles, even at the lowest loading, the PTX molecules partially reach the core-shell interface of the micelle. Upon increasing the drug loading, the surface coverage with PTX clusters increas-es based on the obtained model approach. The latter result is supported by DLS and SANS data of this system. The abovementioned results of the 14N-1H HMQC MAS investigation of the POL-PTX formulations support the outlined model. As an outlook, the currently running geometry optimization and subsequently scheduled calcu-lation of the chemical shieldings of the newly obtained anhydrous PTX crystal structure can further improve the solid-state NMR characterization through determination of further spatial proximities among protons using the existing 2D 1H(DQ)-1H(SQ) solid-state MAS NMR spec-trum at 100 kHz rotor spinning frequency. The 2D 14N-1H HMQC MAS NMR experiments were shown to have great potential as a technique for the analysis of other disordered and amor-phous drug delivery systems as well. The results of this thesis should be subsequently applied to other micellar systems with varying pharmaceutical excipients or active ingredients with the goal of systematically achieving higher drug loadings (e.g., for the investigated PTX, the similar drug docetaxel or even different natural products). Additionally, it is planned to transfer the knowledge to another complex polymer system containing poly(amino acids) which offers hy-drogen bonding donor sites for additional intermolecular interactions. Currently, the POL-PTX system is investigated by further SANS studies that may provide another puzzle piece to the model as complementary measurement method in the future. In addition, the use of MD simu-lations might be considered in the future. This would allow a computerized linking of the differ-ent pieces of information with the aim to determine the most likely model.},
  subject      = {Wirkstoff-Tr{\"a}ger-System},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Stepanenko2008,
  author    = {Stepanenko, Vladimir},
  title     = {Self-Assembly of Bay-Substituted Perylene Bisimide by Ligand-Metal Ion Coordination},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-32063},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {The subject of this thesis is the synthesis and characterization of PBI-based fluorescent metallosupramolecular polymers and cyclic arrays. Terpyridine receptor functionalized PBIs of predesigned geometry have been used as building blocks to construct desired macromolecular structures through metal-ion-directed self-assembly. These metallosupramolecular architectures have been investigated by NMR, UV/Vis and fluorescence spectroscopy, mass spectrometry, and atomic force microscopy.},
  subject      = {Supramolekulare Chemie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Deubner2004,
  author    = {Deubner, Ralph},
  title     = {Quantitative NMR-Spektroskopie zur Reinheitsbestimmung von Arzneistoffen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8364},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Quantitative Bestimmungen Anhand verschiedener Substanzen konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass die NMR-Spektroskopie in der Lage ist, Verunreinigungen von Arzneistoffen zu quantifizieren. F{\"u}r das Antidepressivum Fluvoxamin ist im Arzneibuch eine Ionenpaarchroma-tographie vorgeschrieben, um die Verunreinigung des wirksamen E-Isomers durch das Z-Isomer zu quantifizieren. Ionenpaarchromatographischen Methoden mangelt es h{\"a}ufig an der Robustheit. Eine quantitative Auswertung der NMR-Spektren einer Mischung beider Isomere ist ohne aufw{\"a}ndige Probenvorbereitung m{\"o}glich. In den 1H-NMR-Spektren der Mischung sind die Signale der Was-serstoffe beider Isomere an Position 2 gut voneinander getrennt. Werden diese quantitativ ausgewertet, dann ist es nach Optimierung insbesondere hinsichtlich der T1-Relaxationszeit m{\"o}glich, den Anteil des Z-Isomers auf 0,2 \% zu begrenzen. Auch f{\"u}r die Bestimmung der Abbauprodukte des Perphenazinenantats konnte gezeigt werden, dass die qNMR eine geeignete Methode darstellt. Perphenazine-nantat kann durch Esterhydrolyse gespalten werden. Zur Auswertung der 1H-NMR-Spektren wird der Vergleich der Integralfl{\"a}chen der Signale der Wasserstoffe an Position 21 des Perphenazins mit dem zusammenfallenden Signal der Wasserstoffe an Position 11 beider Substanzen herangezogen. Es konnte sowohl Perphenazin als Abbauprodukt des Esters als auch Perphena-zinenantat in Perphenazin quantifiziert werden. Zus{\"a}tzlich kann der Bereich der aromatischen Wasserstoffe zu einer Aussage {\"u}ber die Oxidation genutzt werden. Bei der Oxidation des Schwefels im Phenothiazinring zum Sulfoxid und zum Sul-fon {\"a}ndern sich die chemischen Verschiebungen der Wasserstoffkerne in diesem Ringsystem. Dadurch wird eine halbquantitative Aussage erm{\"o}glicht. Schließlich konnten die beiden Epimere Chinin und Chinidin jeweils als Verunrei-nigung des anderen Chinaalkaloides quantifiziert werden. Auch in diesem Fall lie-gen in den 1H-NMR-Spektren in DMSO-d6 von Mischungen dieser beiden Verbin-dungen Signale weit genug auseinander, um eine Quantifizierung zu erm{\"o}glichen. In beiden F{\"a}llen, der Bestimmung von Chinidin in Chinin und von Chinin in Chini-din konnte dies auf einem Niveau von 2,5\% geschehen, was den Anforderungen der Arzneib{\"u}cher entspricht. Gentamicinsulfat Die 1H-NMR-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Charakterisierung der Zusam-mensetzung des Antibiotkums Gentamicin eingesetzt. Gentamicin, das fermentativ aus Micromonospora purpurea gewonnen wird, besteht aus verschiedenen Haupt- und Nebenkomponenten, deren Zusammensetzung je nach Fermentationsbedingungen schwankt. Nach einer Reihe von Todesf{\"a}llen im Zusammenhang mit der Anwendung des Antibiotikums Gentamicin in den USA wurde vermutet, dass diese auf verschiede-ne Verunreinigungen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sind. In der aktuellen Arzneibuch-Monographie wird eine HPLC-Methode beschrieben, die zwar die Hauptkomponenten quantifizieren kann, aber nicht alle Nebenkomponenten gut abtrennt. Auch ist die gesamte Elutionszeit sehr lang, so dass sp{\"a}t eluierende Substanzen breite Peaks zeigen. Außerdem ist der benutzte gepulste amperometrische Detektor sehr empfindlich und die Methode insgesamt daher wenig robust. Unter Zuhilfenahme von ein- und zweidimensionalen Standardmesstechniken sowie selektiver TOCSY-Messungen konnten alle Signale in den 1H- und 13C-NMR-Spektren der Haupt- und Nebenkomponenten von Gentamicin vollst{\"a}ndig zugeordnet werden. Dabei zeigte sich, dass der Bereich der anomeren Wasserstoffe sehr gut geeignet ist, Aussagen {\"u}ber die Reinheit und {\"u}ber das Verh{\"a}ltnis der Hauptkomponenten zueinander treffen zu k{\"o}nnen. In dem in der Abbildung gezeigten Ausschnitt aus einem 400 MHz-1H-NMR-Spektrum ist eine Integration der H20-Signale der Hauptkomponenten aufgrund mangelnder Trennung nicht m{\"o}glich. Diese ist jedoch in 600 MHz-Spektren m{\"o}glich. Auf diese Weise k{\"o}nnen die Verh{\"a}ltnisse der Hauptkomponenten zueinander bestimmt werden. Die so erhaltenen Ergebnisse zeigen eine sehr gute {\"U}bereinstimmung mit den aus einer MEKC-Trennung erhaltenen Daten. Das zeigt die sehr gute Erg{\"a}nzung dieser beiden Methoden. Insgesamt wurden f{\"u}r diese Arbeit {\"u}ber 40 Gentamicin-Proben verschiedener Hersteller untersucht, miteinander verglichen und in verschiedene Gruppen einge-teilt. Als Leitverunreinigung hat sich dabei Sisomicin erwiesen. Daneben konnte der Vergleich der Verunreinigungsprofile Hinweise auf Handelswege geben. Unter den untersuchten Proben waren auch diejenigen, zu den Todesf{\"a}llen f{\"u}hrten. Die-se konnten den stark verunreinigten Gruppen zugeordnet werden.},
  subject      = {Arzneimittel},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Beyer2011,
  author    = {Beyer, Tanja},
  title     = {Quantitative NMR-Spektroskopie in der pharmazeutischen Analytik -- Identit{\"a}t, Reinheit und Gehalt von Arzneistoffen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-65091},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Kl{\"a}rung der Fragestellung, ob sich die quantitative NMR-Spektroskopie zur Bestimmung von Identit{\"a}t, Reinheit und Gehalt von Arzneistoffen eignet, und wie sich Pr{\"a}zision und Empfindlichkeit dieser Methode im Vergleich zu etablierten chromatographischen Verfahren verhalten. Die quantitative Untersuchung der drei strukturell jeweils verwandten Mehrkomponentengemische Codergocrinmesilat, Clomifencitrat und Flupentixoldihydrochlorid bewies eindrucksvoll die Eignung der 1H-NMR-Spektroskopie als orthogonale, analytische Messmethode im Vergleich zu validierten HPLC-Arzneibuchmethoden. Die im Rahmen einer Validierung der 1H-NMR-Methode ermittelten Ergebnisse erf{\"u}llten bez{\"u}glich Pr{\"a}zision und Richtigkeit die an eine im pharmazeutischen Bereich eingesetzte analytische Methode gestellten Anforderungen; zudem wurden weitere Pr{\"u}fparameter wie Selektivit{\"a}t, Linearit{\"a}t, Robustheit und Stabilit{\"a}t verifiziert. Externe-Standard-Experimente wie "Zwei-R{\"o}hrchen-Methode" und ERETIC-Verfahren best{\"a}tigten die quantitativen Ergebnisse der Internen Standardisierung; jedoch wurde hier -- insbesondere f{\"u}r die ERETIC-Technik -- eine h{\"o}here Fehleranf{\"a}lligkeit und somit eine gr{\"o}ßere Streuung der Einzelergebnisse beobachtet. Am Beispiel von Codergocrinmesilat und Flupentixoldihydrochlorid konnte zudem die Eignung anderer NMR-aktiver Kerne wie 13C und 19F f{\"u}r die quantitative Analyse von komplexen Substanzgemischen aufgezeigt werden. Das Potential der 1H-NMR-Spektroskopie f{\"u}r die Reinheitspr{\"u}fung von Arzneistoffen wurde am Beispiel der Aminos{\"a}ure L-Alanin aufgezeigt. Die zu erwartenden Verunreinigungen Glutamin-, Asparagin-, {\"A}pfel- und Fumars{\"a}ure konnten im Gegensatz zu den "veralteten" Pr{\"u}fmethoden des Europ{\"a}ischen Arzneibuches eindeutig identifiziert und quantifiziert werden; mit einer Bestimmungsgrenze von <= 0.03\% wurden die Vorgaben der ICH-Richtlinie Q3A(R2) erf{\"u}llt. Die deutliche {\"U}bereinstimmung der NMR-spektroskopisch ermittelten Ergebnisse einer quantitativ untersuchten Alanin-Modellmischung mit einer f{\"u}r den Routinebetrieb geeigneten HPLC-Methode unter Einsatz verschiedener Detektoren wie CAD, NQAD, ELSD und MS, sowie der Vergleich wichtiger Pr{\"u}fparameter wie Linearit{\"a}t und Nachweisgrenze best{\"a}tigten die Eignung der 1H-NMR-Spektroskopie im Rahmen der routinem{\"a}ßig durchgef{\"u}hrten Qualit{\"a}tskontrolle. Die Aufdeckung von Arzneimittelf{\"a}lschungen mit Hilfe der NMR-Spektroskopie wurde im Rahmen dieser Arbeit anhand der zwei aktuellen Fallbeispiele Heparin und Glycerin n{\"a}her untersucht. Die in Zusammenhang mit dem Heparin-Skandal verantwortliche Kontaminante OSCS konnte neben Dermatansulfat und weiteren nat{\"u}rlich vorkommenden Glykosaminoglykan-Verunreinigungen im 1H-NMR-Spektrum eindeutig identifiziert und auf 0.1\% OSCS bzw. 0.5\% Dermatansulfat begrenzt werden. Eine pr{\"a}zise und richtige quantitative Bestimmung der beiden Glykosaminoglykane wurde {\"u}ber die N-Acetyl-Resonanzen mit Hilfe der Signalh{\"o}henbestimmung und dem Standard-Additionsverfahren erm{\"o}glicht; deutliche Abweichungen vom "wahren" Gehalt wurden hingegen, bedingt durch starke Signal{\"u}berlagerungen, nach Fl{\"a}chenvergleich beobachtet. Weitere Verunreinigungen, insbesondere L{\"o}sungsmittelr{\"u}ckst{\"a}nde, die w{\"a}hrend des Extraktions- und Reinigungsprozesses des Heparins eingesetzt werden, konnten ebenfalls {\"u}ber charakteristische Resonanzen identifiziert und mit Hilfe der Internen-Standard-Methode quantitativ erfasst werden. Eine umfangreiche Untersuchung von 145 Heparin-API-Mustern mittels NMR-Spektroskopie und weiteren, neuentwickelten Verfahren wie HPLC, CE, IR- und Raman-Spektroskopie konnte die Eignung der entwickelten 1H-NMR-Methode best{\"a}tigen. Potentielle Glycerin-Kontaminanten wie Diethylenglycol und Ethylenglycol konnten ebenso wie eine weitere, nat{\"u}rlich vorkommende Verunreinigung, Propylenglycol, mittels 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie identifiziert und quantifiziert werden. Beide Methoden erf{\"u}llten die in der USP beschriebenen Anforderungen, die f{\"u}r pharmazeutisch eingesetztes Glycerin jeweils h{\"o}chstens 0.1\% Diethylenglycol bzw. Ethylenglycol erlaubt. W{\"a}hrend die quantitative Reinheitspr{\"u}fung beim Einsatz der 1H-NMR-Spektroskopie mit einer Messdauer im Bereich von etwa 30 min f{\"u}r den Routineeinsatz geeignet ist, ist die entwickelte quantitative 13C-NMR-Methode beim Einsatz von Spektrometern geringer Magnetfeldst{\"a}rke aufgrund einer geringen Nachweisempfindlichkeit und der NOE-Problematik f{\"u}r den Routinebetrieb nur bedingt anwendbar. Abschließend kann zusammengefasst werden, dass die untersuchten Beispiele die NMR-Spektroskopie als in hohem Maße geeignet f{\"u}r die quantitative Analyse von Arzneimitteln ausweisen.},
  subject      = {NMR-Spektroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Remmert2008,
  author    = {Remmert, Haiko},
  title     = {Quantitative klinische kardiale MR-Spektroskopie - Optimierung und Anwendung bei Patienten mit akutem Myokardinfarkt im Rahmen einer umfassenden Analyse von Anatomie, Funktion und Metabolismus},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-35643},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Die 31P-MRS ist aktuell die einzige verf{\"u}gbare nicht-invasive Methode mit der der Herzmetabolismus ohne radioaktive Tracer untersucht werden kann. MRS erm{\"o}glicht Einblicke in die Energetik der isch{\"a}mischen Herzkrankheit, des Herzinfarkts, der hypertrophen Kardiomyopathie oder auch der Herzklappenfehler. Ferner kann die Methode zur {\"U}berwachung des Therapieerfolgs o.g. Krankheiten genutzt werden. Gegenw{\"a}rtig wird die MR-Spektroskopie, aufgrund der geringen r{\"a}umlichen und zeitlichen Aufl{\"o}sung sowie der geringen Reproduzierbarkeit, jedoch nur in der Forschung angewendet. Die Einf{\"u}hrung von MRT-Sytemen h{\"o}herer Feldst{\"a}rke, z.B. 7 Tesla, wird vermutlich eine Optimierung der Aufl{\"o}sung und Reproduzierbarkeit erm{\"o}glichen und damit die 31P-MRS in die klinische Diagnostik integrieren k{\"o}nnen. Die vorliegende Arbeit befasst sich neben der methodischen Weiterentwicklung und Standardisierung der MRS mit einem direkten Vergleich MR-tomographischer (LE) und MR-spektroskopischer (AW-CSI) Techniken zur Detektion von Infarktfolgen. Hierbei konnte durch die simultane Anwendung von MRS und Late Enhancement, ein bereits in der klinischen Infarktdiagnostik etabliertes Verfahren, die Aussagekraft der MR-Spektroskopie in Bezug auf die Infarktlokalisation validiert werden. Ein wesentlicher Vorteil der MRS gegen{\"u}ber dem Late Enhancement besteht darin, dass bereits fr{\"u}hzeitig pathologische Ver{\"a}nderungen des Metabolismus in Arealen wie dem remote, stunned oder hibernating myocardium detektiert werden k{\"o}nnen. Letztere demarkieren sich nicht beim LE. Unter Etablierung eines Segmentationsalgorithmus konnten sehr niedrige Variabilit{\"a}ten bei dem verwendeten Quantifizierungsprogramm („SLOOP") erreicht werden. Zus{\"a}tzlich gelang es durch systematische Analysen die f{\"u}r die Auswertung der MRS ben{\"o}tigten Nachbearbeitungszeiten drastisch zu verk{\"u}rzen. Als klinische Anwendung erfolgte die Bestimmung des kardialen Metabolismus mittels akquisitionsgewichteter 31P-3D-CSI bei Patienten mit Hinterwandinfarkt. Damit konnten erstmalig spulenferne Myokardareale (Hinterwand) hinsichtlich Ver{\"a}nderungen im Metabolismus erfasst werden. Ver{\"a}nderte PCr/\&\#947;ATP-ratios wurden bei Infarktpatienten gegen{\"u}ber einem Kollektiv herzgesunder Probanden gefunden. Eine exakte Lokalisation der untersuchten Infarkte und damit eine Validierung der spektroskopischen Datenanalyse wurden durch den Vergleich mit den simultan aufgenommenen Late Enhancement Bildern m{\"o}glich. Damit er{\"o}ffnet sich in Verbindung mit zunehmend zur Verf{\"u}gung stehenden Hochfeldger{\"a}ten (3T und mehr) f{\"u}r die MRS der Weg zu einem wichtigen klinischen Diagnostikwerkzeug zur Bestimmung von Prognoseparametern bei kardialen Erkrankungen.},
  subject      = {NMR-Spektroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Fimmel2015,
  author    = {Fimmel, Benjamin},
  title     = {Perylene Bisimide Foldamers: Synthesis and In-Depth Studies of the Ground- and Excited States Properties},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-125173},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {In this thesis the syntheses and detailed investigations on two foldable PBI systems were presented. The reversible, solvent-dependet folding/unfolding-behavior was used to study the ground and excited states properties of folda-dimer and folda-trimer by means of different spectroscopic methods as well as theoretical studies. The switching between charge transfer or excimer formation pathways of photoexcited molecules influenced by the spatial arrangement of chromophores within defined dye systems illustrates the impact of conformational preferences on functional properties.},
  subject      = {Perylenbisdicarboximide <Perylen-3,4:9,10-bis(dicarboximide)>},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schwedhelm2009,
  author    = {Schwedhelm, Kai Florian},
  title     = {Optimierte Methoden der Magnetresonanz-Spektroskopie zur molekularen Charakterisierung neuartiger Wirkstoffe gegen Infektionskrankheiten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-38535},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {In diesem Projekt wurde die Wechselwirkung des PPIase-Enzyms MIP mit Kollagen IV unter- sucht. MIP ist maßgeblich f{\"u}r die Infekti{\"o}sit{\"a}t von Legionella pneumophila verantwortlich, einem Bakterium, welches im Menschen schwere Lungenentz{\"u}ndungen ausl{\"o}sen kann. Das Enzym zeigt eine hohe Affinit{\"a}t gegen{\"u}ber einem kurzen Peptidsequenzabschnitt in Kolla- gen IV (genannt „P290"), welches unter anderem im Epithel der Lunge zu finden ist. Die Interaktionsoberfl{\"a}che der Molek{\"u}le wurde durch den Einsatz eines paramagnetischen Spin-Labels in NMR-Experimenten charakterisiert. Mit Hilfe von Docking und Molek{\"u}ldy- namiksimulationen konnte aus diesen Daten ein Modell des MIP-Kollagen-Komplexes be- rechnet werden. Es wurde gezeigt, dass MIP als Dimer in der Lage ist, nach Kollagen IV zu „greifen" und sich dann an das Molek{\"u}l heranzuziehen. Wahrscheinlich dient dieser Mechanismus der Adh{\"a}- sion von L. pneumophila an die Wirtszelle. Neben der zuvor postulierten Destabilisierung von Kollagen IV durch MIP, welche hier nicht beobachtet wurde, k{\"o}nnte die Adh{\"a}sion ein wichtiger Faktor f{\"u}r die Virulenz von L. pneumophila sein. Weiterhin wurde die inhibitorische Wirkung des isolierten Peptids P290 auf die biologische PPIase-Aktivit{\"a}t von MIP untersucht. Durch NMR-Messungen und anschließenden Mole- k{\"u}ldynamiksimulationen konnte gezeigt werden, dass P290 sich stabil in die Bindungsta- sche von MIP einlagert und durch den Sequenzabschnitt -CYS130-PRO131---TRP134- das Enzym blockiert. Die {\"u}brigen Aminos{\"a}uren in P290 dienen der Stabilisierung des Kom- plexes und sorgen f{\"u}r die Selektivit{\"a}t von P290, welches, im Unterschied zu bekannten Wirkstoffen, das humane Homolog zu MIP nicht inhibiert. Die Vorhersagen der Simulatio- nen konnten durch ein Peptid Microarray und Messungen der enzymatischen Aktivit{\"a}t von MIP in PPIase-Assays best{\"a}tigt werden. Die Ergebnisse wurden zur Optimierung von P290 eingesetzt, indem die Peptidsequenz durch den Austausch zweier Aminos{\"a}uren ver{\"a}ndert und das Molek{\"u}l zu einem Ring geschlossen wurde. Die entstandene Struktur besitzt deut- lich verbesserte Bindungseigenschaften und k{\"o}nnte k{\"u}nftig als Basis f{\"u}r eine neue Klasse von Wirkstoffen gegen L. pneumophila dienen. In diesem Projekt wurde eine Methode zur Aufkl{\"a}rung der Molek{\"u}lstruktur neuartiger Wirkstoffe gegen Malaria im Komplex mit ihrem paramagnetischen Zielmolek{\"u}l etabliert und weiterentwickelt. Die Vorgehensweise leitet intermolekulare Distanzinformationen aus der sog. paramagnetischen Relaxation ab, einem Effekt, der den Einsatz klassischer Me- thoden zur Molek{\"u}lstrukturaufkl{\"a}rung mittels NMR verhindert. Es werden drei Parameter durch NMR-Spektroskopie bestimmt: 1. die longitudinale Relaxationszeit der Wasserstoff- atome in Wirkstoffmolek{\"u}l, 2. die effektive Korrelationszeit des Komplexes und 3. der Spin- Zustand des Eisenions im Zielmolek{\"u}l. Mit Hilfe dieser Messmethode konnte die Komplexstruktur mehrerer bekannter Medika- mente gegen Malaria aufgekl{\"a}rt werden. Weiterhin wurden zwei neue Klassen von Wirkstof- fen untersucht, die C,C-gekoppelten Naphthylisoquinolin-Alkaloide und die N,C-gekoppelte Naphthylisoquinolin-Alkaloide. In {\"U}bereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen aus der Literatur lagern sich die Wirkstoffe stets um einen Winkel geneigt und in Richtung des Randes des Zielmolek{\"u}ls verschoben an. Diese Konfiguration maximiert die attraktiven \&\#960;- \&\#960;-Wechselwirkungen zwischen den Molek{\"u}len. Aufgrund der gewonnenen Ergebnisse aus NMR, UV-Spektroskopie und Massenspektrome- trie konnte die Existenz eines bisher nicht bekannten Tetramer-Komplexes nachgewiesen werden, welcher eine wichtige Zwischenstufe in der Biokristallisation von H{\"a}mozoin durch die Malariaparasiten darstellen k{\"o}nnte, und Ansatzpunkte f{\"u}r den weiterhin nicht vollst{\"a}n- dig bekannten Wirkmechanismus der meisten Antimalaria-Wirkstoffe liefert. F{\"u}r die Naphthylisoquinolin-Alkaloide zeigte sich weiterhin, dass Wasser eine essenzielle Rolle in der Komplexbildung spielt. In Molek{\"u}ldynamiksimulationen der N,C-gekoppelten Naphthylisoquinolin-Alkaloide konnte die Entstehung einer Wasserstoffbr{\"u}cke zwischen Wirkstoff und Zielmolek{\"u}l gezeigt werden, welche einen zus{\"a}tzlichen Weg der Komplex- stabilisierung neben den bereits bekannten \&\#960;-\&\#960;-Wechselwirkungen aufzeigt. Die N,C-NIQs konnten erstmals auch bei einem pH-Wert von 5,6 beobachtet werden, einer chemischen Umgebung wie sie auch in-vivo in der Verdauungsvakuole des Malariaparasiten herrscht.},
  subject      = {NMR-Spektroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Waibel2008,
  author    = {Waibel, Benjamin},
  title     = {NMR-Methoden zur Identifizierung von Makromolek{\"u}l-Ligand-Interaktionen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-26589},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Komplexstrukturen k{\"o}nnen {\"u}ber NMR-Experimente aufgekl{\"a}rt werden, die intermolekulare Wechselwirkungen {\"u}ber den Raum detektieren k{\"o}nnen. Meist kommen dabei NOE- bzw. ROE-Experimente und Weiterentwicklungen dieser Sequenzen zum Einsatz. Auch mit einfachen Versuchen, wie der Bestimmung der Ver{\"a}nderung der chemischen Verschiebungen bei Komplexierung, lassen sich wertvolle Strukturinformationen gewinnen. Durch die Bindung eines Liganden an ein Makromolek{\"u}l {\"a}ndern sich viele NMR-spezifische Parameter des Liganden. Dazu geh{\"o}ren NMR-Relaxationszeiten und Diffusionskoeffizienten mit deren Hilfe sich Dissoziationskonstanten der Komplexe ermitteln lassen. Die vorliegende Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit den M{\"o}glichkeiten der Identifizierung und Charakterisierung von Ligand-Makromolek{\"u}l-Interaktionen mittels NMR-Spektroskopie. Drei unterschiedliche Fragestellungen wurden bearbeitet. Einfluss von Harnstoff auf beta-Cyclodextrin-Einschlusskomplexe mit Dipeptiden: Bei kapillarelektrophoretischen Enantiomerentrennungen von Dipeptiden mittels beta-Cyclodextrin kommen h{\"a}ufig sehr hohe Konzentrationen an Harnstoff zum Einsatz, um die Wasserl{\"o}slichkeit des beta-CD zu verbessern. Dabei wird die eventuelle Beteiligung des Harnstoffs am Komplex oftmals außer Acht gelassen. Durch den Einsatz unterschiedlichster NMR- und Simulations-Techniken konnte die Beteiligung des Harnstoffs an dem Komplex untersucht und aufgekl{\"a}rt werden. Relaxationsstudien von Fluorchinolonen mit Micrococcus luteus: Ziel dieser Versuchsreihe war es, anhand von longitudinalen und transversalen Relaxationsmessungen Einblick in das Bindungsverhalten von Fluorchinolonen (Gyrasehemmer) an Bakterienzellen zu erhalten. Mittels der Bestimmung von selektiven 1H-T1-Zeiten in Abh{\"a}ngigkeit des Antibiotikum/Bakterien-Verh{\"a}ltnisses konnten Dissoziationskonstanten der untersuchten Pharmaka an die Bakterienzelle ermittelt werden. Desweiteren wurden 19F-Spin-Spin-Relaxationsexperimente durchgef{\"u}hrt. Proteinbindungsstudien von Gyrasehemmern an BSA: Durch die Bindung von Fluorchinolonen an bovines Serumalbumin {\"a}ndern sich die scheinbare Molek{\"u}lmasse und der hydrodynamische Radius des Arzneistoffs stark. Durch selektive T1-Relaxationsmessungen konnten f{\"u}r drei Gyrasehemmer mit unterschiedlichen Proteinbindungseigenschaften die jeweiligen Dissoziationskonstanten an das Albumin ermittelt werden. Eine weitere M{\"o}glichkeit Dissoziationskonstanten zu bestimmen war es, Diffusionskoeffizienten bei unterschiedlichen Konzentrationsverh{\"a}ltnissen zu bestimnmen. {\"U}ber die Ermittlung sogenannter „Affinit{\"a}tsindices" war es m{\"o}glich, die St{\"a}rke der Proteinbindung zu charakterisieren. Um den Effekt unterschiedlicher Korrelationszeiten verschiedener Kerne auszumitteln, wurde eine Normalisierung dieser Indices durchgef{\"u}hrt. Auch die Werte dieser Affinit{\"a}tsindices gaben die St{\"a}rke der Proteinbindung der unterschiedlichen Antibiotika sehr gut wider.},
  subject      = {Kernspinrelaxation},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Becht2022,
  author    = {Becht, Alexander Ulrich},
  title     = {New applications for spectroscopic and chemometric studies of drugs},
  doi       = {10.25972/OPUS-27534},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-275342},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Spectroscopic methods were established decades ago in a wide variety of fields. This also applies to the pharmaceutical field, although they initially were mostly used for identity testing or structure elucidation only. Technical developments, such as miniaturization (NMR benchtop devices), Fourier transformations (for NMR, MIR spectroscopy) or the combination with chemometric evaluation (e.g., in Process Analytical Technology, PAT), have further increased their importance and opened up new applications. The aim of this work was to investigate further new approaches and to find new applications for already established methods and to show their benefits. By means of MIR, NIR and NMR data and their chemometric evaluation (principal component analysis, PCA; hierarchical cluster analysis, HCA; linear discriminant analysis, LDA), possibilities were presented to successfully determine the manufacturer or the pharmaceutical company of various paracetamol preparations. In the course of this, various similarities and correlations between the preparations of individual companies could also be identified. For this purpose, a suitable sample preparation was developed for each spectroscopic method, and suitable measurement parameters in order to obtain reproducible spectra for the chemometric evaluation were determined. Furthermore, the results of the two unsupervised methods (HCA, PCA) were compared with each other. The HCA was able to confirm those of the PCA for the very most part. Additionally, through these methods it was possible to characterize many of the preparations based on clusters formed by comparable tablet compositions. In order to be able to measure unmortared, whole tablets using the NIR spectrometer, an attachment was developed and manufactured using 3D printing. Its functionality was demonstrated by measuring and analyzing the tablets of two different batches of nine paracetamol preparations. The batches were clearly distinguished on the basis of a PCA and a significant difference was also demonstrated by means of statistical tests. For NMR spectroscopy, a method was developed to obtain optimized "fingerprint" spectra of drug formulations. For this purpose, a 1D DOSY measurement was elaborated, in which the signals of the active ingredient could be filtered out by the appropriate choice of measurement parameters. The chemometric evaluation can thus focus on the remaining signals of the excipients, on the basis of which the preparations of the same API can be distinguished. Especially in the case of formulations that consist largely of active ingredient, data pre processing of the spectra can thus be simplified and greater importance can be assigned to the originally very small excipient signals. A quantitative 1H NMR method was developed for the comparison of a high field spectrometer (400 MHz) with a benchtop spectrometer (80 MHz) for two finished drugs. It was shown that it is possible to obtain comparable results with both instruments, but that the influence of the excipients on the signals and the lower resolution of the benchtop instrument must be taken into account. Therefore, it was not possible to obtain comparable results without further optimization of the method for one of the active ingredients. In the investigation of various reactions between APIs and excipients using DOSY, its usefulness as a screening method in stability testing was demonstrated. For this purpose, three different APIs and excipients were stressed together and the reaction mixtures were subsequently measured using DOSY. Based on the translational diffusion coefficient, the reaction products could be identified and distinguished from the active ingredients and the excipients used. The importance of thoughtful processing could also be demonstrated. If all peak heights are selected when evaluating signals split by direct spin spin coupling, this allows the detection of hidden signals as long as not all signals have the same diffusion coefficient. The selective selection of individual peak heights in the case of split signals also enables the evaluation of signals that overlap slightly. However, the limitations of this method were also shown when two signals overlap too much and differ too little in their diffusion coefficients. Hence, it has been successfully demonstrated in the various projects that the new chemometric approaches, as well as the new applications of already established methods, enable in depth findings and thus have a clear added value.},
  subject      = {Instrumentelle Analytik},
  language  = {en}
}