@phdthesis{XavierdeSouza2024,
  author    = {Xavier de Souza, Aline},
  title     = {Ecophysiological adaptations of the cuticular water permeability within the Solanaceae family},
  doi       = {10.25972/OPUS-22539},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-225395},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {The cuticle, a complex lipidic layer synthesized by epidermal cells, covers and protects primary organs of all land plants. Its main function is to avoid plant desiccation by limiting non-stomatal water loss. The cuticular properties vary widely among plant species. So far, most of the cuticle-related studies have focused on a limited number of species, and studies addressing phylogenetically related plant species are rare. Moreover, comparative studies among organs from the same plant species are still scarce. Thus, this study focus on organ-specificities of the cuticle within and between plant species of the Solanaceae family. Twenty-seven plant species of ten genera, including cultivated and non- cultivated species, were investigated to identify potential cuticular similarities. Structural, chemical and functional traits of fully expanded leaves, inflated fruiting calyces, and ripe fruits were analyzed. The surface morphology was investigated by scanning electron microscopy. Leaves were mainly amphistomatic and covered by an epicuticular wax film. The diversity and distribution of trichomes varied among species. Only the leaves of S. grandiflora were glabrous. Plant species of the Leptostemonum subgenus had numerous prickles and non-glandular stellate trichomes. Fruits were stomata-free, except for S. muricatum, and a wax film covered their surface. Last, lenticel- like structures and remaining scars of broken trichomes were found on the surface of some Solanum fruits. Cuticular water permeability was used as indicators of the cuticular transpiration barrier efficiency. The water permeability differed among plant species, organs and fruit types with values ranging up to one hundred-fold. The minimum leaf conductance ranged from 0.35 × 10-5 m s-1 in S. grandiflora to 31.54 × 10-5 m s-1 in S. muricatum. Cuticular permeability of fruits ranged from 0.64 × 10-5 m s-1 in S. dulcamara (fleshy berry) to 34.98 × 10-5 m s-1 in N. tabacum (capsule). Generally, the cuticular water loss of dry fruits was about to 5-fold higher than that of fleshy fruits. Interestingly, comparisons between cultivated and non-cultivated species showed that wild species have the most efficient cuticular transpiration barrier in leaves and fruits. The average permeability of leaves and fruits of wild plant species was up to three-fold lower in comparison to the cultivated ones. Moreover, ripe fruits of P. ixocarpa and P. peruviana showed two-times lower cuticular transpiration when enclosed by the inflated fruiting calyx. The cuticular chemical composition was examined using gas chromatography. Very-long-chain aliphatic compounds primarily composed the cuticular waxes, being mostly dominated by n- alkanes (up to 80\% of the total wax load). Primary alkanols, alkanoic acids, alkyl esters and branched iso- and anteiso-alkanes were also frequently found. Although in minor amounts, sterols, pentacyclic triterpenoids, phenylmethyl esters, coumaric acid esters, and tocopherols were identified in the cuticular waxes. Cuticular wax coverages highly varied in solanaceous (62- fold variation). The cuticular wax load of fruits ranged from 0.55 μg cm-2 (Nicandra physalodes) to 33.99 μg cm-2 (S. pennellii), whereas the wax amount of leaves varied from 0.90 μg cm-2 (N. physalodes) to 28.42 μg cm-2 (S. burchellii). Finally, the wax load of inflated fruiting calyces ranged from 0.56 μg cm-2 in P. peruviana to 2.00 μg cm-2 in N. physalodes. For the first time, a comparative study on the efficiency of the cuticular transpiration barrier in different plant organs of closely related plant species was conducted. Altogether, the cuticular chemical variability found in solanaceous species highlight species-, and organ-specific wax biosynthesis. These chemical variabilities might relate to the waterproofing properties of the plant cuticle, thereby influencing leaf and fruit performances. Additionally, the high cuticular water permeabilities of cultivated plant species suggest a potential existence of a trade-off between fruit organoleptic properties and the efficiency of the cuticular transpiration barrier. Last, the high cuticular water loss of the solanaceous dry fruits might be a physiological adaptation favouring seed dispersion.},
  subject      = {Kutikula},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Lang2021,
  author    = {Lang, Florian},
  title     = {Analyse des Einflusses ausgew{\"a}hlter Polyphenole auf Funktionalit{\"a}t und Genexpression von p-Glykoprotein im CaCo-II-Zellkulturmodell},
  doi       = {10.25972/OPUS-25186},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-251866},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Die Permeabilit{\"a}t von Substanzen {\"u}ber Biomembranen erfolgt auf Basis ihrer Gr{\"o}ße und Lipophilie, wird jedoch auch zu einem großen Anteil vom aktiven Transport bestimmt. Speziell im menschlichen Verdauungstrakt ist dieser Transportmechanismus neben seinen essentiellen physiologischen Aufgaben, wie den Transport von N{\"a}hrstoffen, an einer Resistenz gegen exogene Stoffe und Xenobiotika beteiligt, der die Aufnahme in den Organismus {\"u}ber einen R{\"u}cktransport in das Darmlumen limitiert. Dabei hat die membranst{\"a}ndige Effluxpumpe p-Glykoprotein (p-GP) als ein Baustein dieses Schutzmechanismus auch einen großen Einfluss auf die Arzneimitteltherapie. {\"U}ber eine Modulierung der Pharmakokinetik von Arzneistoffen beschr{\"a}nkt sie die Aufnahme von Medikamenten und senkt dadurch deren Bioverf{\"u}gbarkeit. Es wird auch f{\"u}r pflanzliche Inhaltsstoffe aus der Gruppe der Polyphenole ein m{\"o}glicher Einfluss auf dieses Transportprotein diskutiert. Diese Beeinflussung kann sich entweder in einer Induktion oder einer Inhibition des Proteins {\"a}ußern, was positive wie negative Effekte haben kann. Eine Hemmung des Transportproteins f{\"u}hrt zu einer erh{\"o}hten Aufnahme einiger Arzneistoffe, die mit einer erh{\"o}hten Bioverf{\"u}gbarkeit und einer potentiellen Dosissenkung einhergeht. Induziert man p-GP dagegen, so wird es beispielsweise erm{\"o}glicht, potentiell sch{\"a}dliche Xenobiotika noch intensiver auszuscheiden und nachteilige Plasmaspiegel zu verhindern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte daher der Einfluss ausgew{\"a}hlter Polyphenole auf die Funktionalit{\"a}t und die Genexpression im CaCo-II-Zellkulturmodell n{\"a}her untersucht, sowie vorab charakteristische Eigenschaften der pflanzlichen Inhaltsstoffe - Taxifolin, Silibinin, M1, Urolithin A, Urolithin B, Urolithin C, Isourolithin A, racemisches Hydnocarpin D, (+)-Hydnocarpin D, (-)-Hydnocarpin D - vergleichend bestimmt werden. Diese stoffspezifischen Charakteristika umfassten die Zytotoxizit{\"a}t, die Stabilit{\"a}t und die antioxidative Kapazit{\"a}t. Vor allem die Zytotoxizit{\"a}t und die Stabilit{\"a}t sind essentielle Parameter f{\"u}r aussagekr{\"a}ftige Resultate. Die Substanzen waren in der eingesetzten Konzentration von 50 µM mehrheitlich, mit Ausnahme des Hydnocarpins D, nicht-toxisch innerhalb der relevanten Versuchszeitr{\"a}ume, 4 h und 24 h, und den verwendeten Kulturmedien, DMEM-Pest und HBSS. Vor allem im Hinblick auf die Genexpressionsversuche war es die Basis f{\"u}r valide Ergebnisse, den Zeitraum bis 24 h als nicht-toxisch sicherstellen zu k{\"o}nnen. Hinsichtlich der Stabilit{\"a}t waren nur Taxifolin (27 \% Restkonzentration) und der M1 (0 \% Restkonzentration) nach 24 h in Zellkulturmedium kritisch. Auf Basis ihrer antioxidativen Kapazit{\"a}t werden pflanzlichen Inhaltsstoffen eine Reihe von gesundheitsf{\"o}rderlichen Merkmalen nachgesagt, weswegen dieser Aspekt f{\"u}r die Testsubstanzen zus{\"a}tzlich vergleichend evaluiert wurde. Der Eintritt von Pathogenen kann Zusammenfassung 377 zum Beispiel durch oxidative Sch{\"a}digung des Darmepithels erleichtert werden, was zus{\"a}tzlich zu einem Effekt auf p-GP durch die Polyphenole unter Umst{\"a}nden positiv beeinflusst werden kann. Taxifolin, der M1 sowie die Urolithine A und C konnten so als antioxidativ aktive Stoffe erstmals vergleichend analysiert und die Resultate sinnvoll zu bestehenden Daten in Relation gesetzt werden. Sie konnten nach antioxidativer Potenz in der Reihenfolge Urolithin C > M1 > Taxifolin > Urolithin A geordnet werden. Zur Analyse des Einflusses der ausgew{\"a}hlten Polyphenole auf die Funktionalit{\"a}t von p-GP sollten Transportversuche {\"u}ber einen CaCo-II-Monolayer mit Rhodamin 123 als Markersubstanz durchgef{\"u}hrt werden. Diese Untersuchungen ben{\"o}tigen typischerweise eine vorbereitende Kulturzeit der Zellen von insgesamt drei Wochen, sodass sich eine Verk{\"u}rzung dieser Zeitspanne aus Zeitersparnis- und Kostengr{\"u}nden positiv auf den Durchsatz der Versuche auswirken w{\"u}rde. In einem umfassenden Ansatz mit kombinierter Bestimmung der Qualifizierung der Zellschichten im Hinblick auf Qualit{\"a}t des Monolayers (TEER-Messung, Lucifer-Yellow-Transportrate, Fluoreszenzf{\"a}rbung der Tight-junctions) sowie der Funktionalit{\"a}t und Expression von p-GP gelang der Nachweis, dass 14 Tage hinreichend und sinnvoll waren. Zentraler Bestandteil war in der vorliegenden Arbeit die Identifizierung der Effekte der Urolithine auf sowohl p-GP direkt, als auch auf die Genexpression dieses Transportproteins. Diese Polyphenole werden im menschlichen Verdauungstrakt {\"u}ber einen bakteriellen Metabolismus aus Ellagtanninen und Ellags{\"a}ure hergestellt und sind aufgrund ihrer vielf{\"a}ltigen gesundheitsf{\"o}rderlichen Charakteristiken in der Forschung von steigendem Interesse. Hierf{\"u}r konnten nach unserem Kenntnisstand mit den gew{\"a}hlten Versuchsans{\"a}tzen neue Erkenntnisse gewonnen werden. In den Transportversuchen mit Rhodamin 123 als Modellsubstrat von p-GP konnten die Urolithine den p-GP-vermittelten Transport positiv beeinflussen. Die Urolithine B (Papp-Ratio 1,98), C (Papp-Ratio 2,15) und das Isourolithin A (Papp-Ratio 1,63) steigerten den Rhodamintransport signifikant und lediglich f{\"u}r Urolithin A (Papp-Ratio 1,45) konnte keine Signifikanz belegt werden. Der Einfluss der Urolithine lag jeweils im Bereich des Modellinduktors Dexamethason. Ebenso konnte eine positive Modulierung der Genexpression nach 24 h detektiert werden. Die Hochregulierungen durch die Urolithine A (zwei- bis dreifach), B (1,4-fach) und C (1,8-fach) waren konsistent und statistisch signifikant. Urolithin A konnte hierbei als potentester Induktor charakterisiert werden, wohingegen sein Isomer Isourolithin A keinerlei signifikante Beeinflussung der Expression zeigte. In diesen Inkubationsversuchen wurde die Eigenschaft zur Erh{\"o}hung der Genexpression {\"u}ber den Einfluss auf den p-GP-vermittelten Rhodamintransport best{\"a}tigt. Die Urolithine A, B, C und Isourolithin A konnten nach einer Vorinkubation {\"u}ber 24 h und 48 h auch den Transport von Rhodamin 123 nochmals signifikanter zu den klassischen E Zusammenfassung 378 Transportversuchen ohne Vorinkubation steigern. Relevanz hierf{\"u}r hatte der erste Zeitraum {\"u}ber 24 h, da hier ein deutlicher Anstieg der Rhodamintransportrate zu erkennen war. Nach 48 h stieg der Rhodamintransport nur noch geringf{\"u}gig an oder ging sogar leicht zur{\"u}ck (Urolithin B). Hinsichtlich der Genexpression konnte nach 48 h nur noch Urolithin C p-GP signifikant hochregulieren, allerdings sind diese Erkenntnisse auf Basis der Zytotoxizit{\"a}t der Substanzen {\"u}ber diesen Zeitraum kritisch zu betrachten. In der Analyse des Effektes der weiteren Polyphenole auf die Genexpression von p-GP konnten f{\"u}r die meisten Stoffe nur zuf{\"a}llige Zusammenh{\"a}nge hinsichtlich Hoch- und Herunterregulierung bestimmt werden. In den Transportversuchen konnte jedoch (+)-Hydnocarpin (Papp-Ratio 0,48) den Transport in gleichem Ausmaß wie der Modellinhibitor Verapamil (Papp-Ratio 0,48) hemmen. Durch Modifizierung des Versuchsmediums zur Ann{\"a}herung an physiologischeren Bedingungen (Gallens{\"a}uren, pH 6) konnte f{\"u}r manche Substanzen ein deutlich ver{\"a}ndertes Verhalten beobachtet werden. Die Rhodamintransportrate nahm unter Einfluss von Urolithin B, Isourolithin A und dem M1 signifikant nun ab und bei Urolithin C signifikant zu. Dies legt nahe, dass mit dem klassischen Transportversuchsmodell lediglich Tendenzen f{\"u}r die Substanzen bestimmt werden k{\"o}nnen. Weitere Untersuchungen n{\"a}her an der Physiologie des Verdauungstraktes sind n{\"o}tig, um ein genaueres Bild des Stoffeinflusses zu gewinnen. Die Frage nach zeitlichem Einsetzen beziehungsweise der Kontinuit{\"a}t des Effektes auf p� GP konnte mit den Urolithinen A, B und C sowie Dexamethason gekl{\"a}rt werden. Eine Substanzexposition von lediglich f{\"u}nf Minuten war nicht ausreichend, um in den nachfolgenden zwei Stunden einen Effekt zu beobachten. Dies legt eine Reversibilit{\"a}t der zugrundeliegenden Mechanismen und eine notwendige dauerhafte Anwesenheit der Substanzen {\"u}ber die Versuchszeit nahe. Neben Rhodamin 123 wurden noch Transportversuche mit dem Fluorchinolonantibiotikum Ciprofloxacin als Modellsubstanz durchgef{\"u}hrt, da es aufgrund dessen Substratcharakters f{\"u}r p-GP von therapeutischer Relevanz sein kann, wenn das Transportverhalten durch Polyphenole beeinflusst wird. Im Gegensatz zu Rhodamin 123 wurde der Transport von Ciprofloxacin durch die vier Urolithine verringert, was f{\"u}r diese Metabolismusprodukte eine zus{\"a}tzliche Wirkung auf weitere Transportproteine nahelegt, weil Ciprofloxacin unter anderem auch {\"u}ber BRCP transportiert wird. Mittels des bakteriellen Endotoxins LPS konnte eine Sch{\"a}digung des CaCo-II-Monolayers erzeugt werden, welche sich {\"u}ber erniedrigte TEER-Werte und einen erh{\"o}hten Rhodamintransport nachweisen ließ. Eine Vorinkubation der vier Urolithine war nicht in der Lage, diese Sch{\"a}digung abzumildern, jedoch nicht komplett zu verhindern. Die TEER- Zusammenfassung 379 Werte konnten zwar wieder etwas gesteigert werden, jedoch maskierte die starke Stimulation dieser Pflanzenstoffe auf p-GP und den damit verbundenen Transport von Rhodamin 123 m{\"o}gliche positive Effekte auf diese oxidative Stresssituation. Zusammenfassend war es mit der vorliegenden Arbeit erstmals durch systematische vergleichende Untersuchung und Kombination von Charakterisierungsans{\"a}tzen m{\"o}glich, eine deutliche Beeinflussung der Genexpression und Funktionalit{\"a}t des p-Glykoproteins durch vor allem die Urolithine aufzuzeigen, was eine Relevanz sowohl des Mikrobioms als auch der Ern{\"a}hrung in der Arzneimitteltherapie nahelegt. Zudem gelang es den klassischen Transportassay durch Verk{\"u}rzung um eine Woche zu verbessern.},
  subject      = {p-Glykoprotein},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kleefeldt2020,
  author    = {Kleefeldt, Florian},
  title     = {Einfluss von CEACAM1 auf die endotheliale Funktion},
  doi       = {10.25972/OPUS-20172},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-201726},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Dem Endothel, welches die luminale Oberfl{\"a}che aller Blutgef{\"a}ße auskleidet, kommt eine wichtige Barrierefunktion zwischen Blut und Gewebe zu. Nur durch eine bedarfsgerechte Justierung dieser Barriere, die den Durchtritt von Molek{\"u}len und Zellen reguliert, kann die Gewebehom{\"o}ostase aufrechterhalten werden. Dabei ist das Endothel nicht nur passive Barriere, sondern auch an dieser dynamischen Regulation aktiv beteiligt. St{\"o}rungen oder Fehlregulationen dieser Prozesse f{\"u}hren zu Pathologien, z.B. Arteriosklerose. Es ist seit l{\"a}ngerem bekannt, dass Carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule-1 (CEACAM1), ein Mitglied der Immunglobulin-Superfamilie, die Bildung und Morphogenese neuer Blutgef{\"a}ße beeinflusst. Die spontane Entwicklung kleiner Arteriosklerose-{\"a}hnlicher L{\"a}sionen in CEACAM1 knockout (Cc1-/-) M{\"a}usen zeigt, dass CEACAM1 auch f{\"u}r die Hom{\"o}ostase ausgereifter Blutgef{\"a}ße von Bedeutung ist. Ziel dieser Dissertationsarbeit war daher, den Einfluss von CEACAM1 auf wesentliche Aspekte der Endothelfunktion in Aorten in situ bzw. in Endothelzellkulturen in vitro zu analysieren. Es konnte zun{\"a}chst gezeigt werden, dass CEACAM1-defiziente Endothelzellen im Vergleich zu Wildtyp (WT) Endothelzellen eine rundlichere Zellmorphologie mit meanderf{\"o}rmigen Zellgrenzen und interzellul{\"a}ren L{\"u}cken aufweisen. Diese morphologischen Unterschiede stimmen mit Befunden in situ an Aorten von WT und Cc1-/- M{\"a}usen {\"u}berein. Weiterhin wurde eine Translokation der endothelialen NO-Synthase (eNOS) von der Zellmembran in den peri-nukle{\"a}ren Bereich bei CEACAM1-Defizienz festgestellt. Die erhobenen Daten bieten zwei m{\"o}gliche Erkl{\"a}rungen daf{\"u}r. Einerseits k{\"o}nnte CEACAM1 durch Interaktion mit eNOS als Membrananker fungieren. Daneben wiesen CEACAM1-defiziente Endothelzellen eine erh{\"o}hte Expression des Enzyms APT1 auf, welches eNOS depalmitoyliert. Die daraus resultierende, ebenfalls nachgewiesene geringere Palmitoylierung k{\"o}nnte auch zur verminderten Membran-lokalisation von eNOS beitragen. Zur endothelialen Funktion geh{\"o}rt, die Adh{\"a}sion von Blutzellen an die Gef{\"a}ßwand weitestgehend zu beschr{\"a}nken. CEACAM1-defiziente Endothelzellen zeigten im Vergleich zu WT Endothelzellen eine verst{\"a}rkte Adh{\"a}sivit{\"a}t gegen{\"u}ber murinen und humanen Monozyten. {\"A}hnliche Unterschiede wurden f{\"u}r Aortenexplantate aus WT und Cc1-/- M{\"a}usen festgestellt. Dies ist einerseits mit einer verst{\"a}rkten Expression des Zelladh{\"a}sionsmolek{\"u}ls ICAM-1 bei CEACAM1-Defizienz erkl{\"a}rbar. Dar{\"u}ber hinaus vermittelt die Glykokalyx anti-adh{\"a}sive Eigenschaften. Aus Vorbefunden war bekannt, dass die endotheliale Glykokalyx in der Aorta von Cc1-/- M{\"a}use reduziert ist. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dies auf eine verst{\"a}rkte Expression der Glykokalyx-degradierenden Enzyme MMP9, Chondroitinase sowie Hyaluronidase-2 in Cc1-/- Endothelzellen zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Eine erh{\"o}hte Permeabilit{\"a}t stellt einen Indikator f{\"u}r ein dysfunktionales Endothel, eines der initialen Schritte in der Pathogenese der Arteriosklerose, dar. Zur Analyse der aortalen Permeabilit{\"a}t wurde ein modifizierter Miles-Assay etabliert. Unter Verwendung etablierter muriner Arteriosklerosemodelle konnte gezeigt werden, dass dieser Assay eine St{\"o}rung der vaskul{\"a}ren Permeabilit{\"a}t bereits vor Auftreten makroskopischer Ver{\"a}nderungen zuverl{\"a}ssig detektiert. Im Rahmen der folgenden Analysen an WT und Cc1-/- M{\"a}usen zeigte sich ein altersabh{\"a}ngiger Effekt von CEACAM1 auf die Gef{\"a}ßpermeabilit{\"a}t: Aorten von 3 Monate alten Cc1-/- M{\"a}use wiesen eine im Vergleich zum WT erh{\"o}hte Gef{\"a}ßpermeabilit{\"a}t auf, welche wahrscheinlich Folge einer verz{\"o}gerten Gef{\"a}ßreifung ist. Im Alter von 9 Monaten zeigte sich dagegen ein entgegengesetztes Bild. Dies wurde auf eine verst{\"a}rkte Expression des die Barriere sch{\"a}digenden Inflammationsmediators TNF-α in 9 Monate alten WT M{\"a}usen zur{\"u}ckgef{\"u}hrt. Außerdem modulierte CEACAM1 die TNF-α-vermittelte Lockerung der endothelialen Barriere, indem es die Phosphorylierung von Adherens Junction Proteinen beeinflusste. Basal stabilisierte CEACAM1 die endotheliale Barriere durch Hemmung der Phosphorylierung von Caveolin-1, welches Adherens Junctions destabilisiert. Unter Einfluss von TNF-α war CEACAM1 verst{\"a}rkt im Bereich von Adherens Junctions lokalisiert und rekrutierte dort Src-Kinase. Src-Kinase wiederum destabilisierte Adherens Junctions durch Phosphorylierung von β-Catenin, was in verst{\"a}rkter Gef{\"a}ßpermeabilit{\"a}t resultierte. Dagegen f{\"u}hrte TNF-α in CEACAM1-defizienten Endothelzellen zu einer Dephosphorylierung von Caveolin-1 und β-Catenin, wodurch Adherens Junctions und damit die endotheliale Barriere stabilisiert wurden. Diese CEACAM1-abh{\"a}ngige differenzielle Regulation der Stabilit{\"a}t von Adherens Junctions unter TNF-α tr{\"a}gt wahrscheinlich maßgeblich zu den Unterschieden der vaskul{\"a}ren Permeabilit{\"a}t in 3 bzw. 9 Monate alten WT und Cc1-/- M{\"a}usen bei. Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass CEACAM1 zentrale Funktionen des Endothels und hier{\"u}ber die Hom{\"o}ostase reifer Gef{\"a}ße beeinflusst. Da eine Expression von CEACAM1 auch in arteriosklerotischen Plaques nachgewiesen werden konnte, soll in weiteren Untersuchungen auch der Beitrag von CEACAM1 zur arteriosklerotischen Plaquebildung analysiert werden.},
  subject      = {Endothel},
  language  = {de}
}
@phdthesis{SchuesslergebHecht2018,
  author    = {Sch{\"u}ßler [geb. Hecht], Nina Kristin Petra},
  title     = {Novel formulation principles for bioavailability enhancement of poorly water-soluble and poorly permeable drugs},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-162766},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Since four decades, high-throughput screenings have been conducted in drug discovery, fuelling the identification of potential new drug candidates. This approach, however, often promotes the detection of compounds with undesired physico-chemical properties like poor aqueous solubility or low membrane permeability. Indeed, dissolution and absorption of a drug are prerequisites for systemic exposure and therapeutic effects. Therefore, innovative strategies to optimize unfavourable performance of new drug candidates are in great demand in order to increase drug concentrations at the site of action whilst simultaneously reducing drug variability. In chapter I of this research work, hydrophobic ion pairing (HIP) is discussed as a promising strategy to improve the bioavailability of BCS class III compounds, which have high aqueous solubility and low permeability. The review points out the limitations of poorly absorbable drugs and details the approach of pairing these APIs with hydrophobic counterions. Apart from the motivation to tailor physico-chemical, biopharmaceutical and toxicological properties of BCS class III compounds, the hydrophobic ion pairing facilitates their formulation into drug delivery systems. Besides advantageous effects, disadvantages of the ion pair formation, such as the decreased aqueous solubility of the ions pair, are critically outlined. Finally, the review covers an overview of non-invasive administration routes permitted after ion pair formation, including oral/enteral, buccal, nasal, ocular and transdermal drug administration. Overall, the HIP approach offers substantial benefits regarding the bioavailability enhancement of BCS class III compounds. Chapter II concerns GHQ168 developed by Holzgrabe et al., a BCS class II compound characterized by low aqueous solubility and high permeability. GHQ168 was developed for the treatment of human African trypanosomiasis (HAT), a tropical disease for which novel active compounds are urgently needed. This lead compound was found to be very active against trypanosoma brucei brucei and trypanosoma brucei rhodesiense in cell culture assays, however, the low aqueous solubility prevented further preclinical development. To target this drawback, two different approaches were selected, including (I) the chemical modification and (II) the spray drying of GHQ168. The newly synthesized set of derivatives as well as the spray dried GHQ168 were subjected to a physico-chemical and microbiological characterization. It turned out that both approaches successfully improved aqueous solubility, however, for the derivatives of GHQ168 at the expense of activity. Furthermore, the pharmacokinetic parameters of GHQ168 and of the most active derivatives, GHQ242 and GHQ243, were evaluated. Elimination half-lives between 1.5 to 3.5 h after intraperitoneal administration and modest to strong serum albumin binding for GHQ243 (45\%) and GHQ168 (80\%) and very high binding (> 99\%) for GHQ242 were detected. The spray dried formulation of GHQ168, as well as GHQ242 and GHQ243 were investigated in two in vivo studies in mice infected with t. b. rhodesiense (STIB900), referred to as (I) stringent model and (II) early-treatment model. In the stringent model (2 applications/day on day 3-6 after infection) the mean survival duration (MSD) of mice treated with spray dried GHQ168 exceeded the MSD of the untreated control group (17 days versus 9 days), a difference that was statistically significant. In contrast, no statistical difference was observed for GHQ242 (14 days) and GHQ243 (12 days). GHQ168 was further assessed in the early-treatment model (2 applications/day on day 1-4 after infection) and again a statistically significant improvement of MSD (32 days (end of observation period) versus 7 days) was observed. Finally, exciting antitrypanosomal efficacy for the spray dried formulation of GHQ168 was demonstrated. NADPH oxidases (NOX) were found to be the main source of endothelial reactive oxygen species (ROS) formation. Chapter III reports on the formulation studies on triazolopyrimidine derivatives from the VAS library, a set of NADPH oxidase inhibitors. These were developed for the treatment of elevated ROS levels, which contribute to the development of cardiovascular diseases. Although in vitro results from numerous studies indicated promising efficacy and selectivity for the VAS-compounds, the low water solubility impeded the in vivo translation and further preclinical development. For this reason, three derivatives, VAS2870, VAS3947, and VAS4024 were physico-chemically characterized and VAS3947, the most soluble compound, was selected for further formulation studies. These approaches included (I) spray drying, (II) microemulsification and (III) complexation with cyclodextrins in order to develop formulations for oral and parenteral application. Solubility improvement of VAS3947 was successfully demonstrated for all preparations as expressed by supersaturation ratios in comparison to the solubility of the unformulated compound. For seven spray dried formulations, the ratio ranged from 3-9, and the ratio for four microemulsions was 8-19 after 120 min, respectively. The six cyclodextrin formulations achieved the highest supersaturation ratio between 3 and 174 after 20 hours. NMR measurements elucidated the inclusion of VAS3947 within the CD's cavity as well as the interaction with its outer surface. Ultimately, NOX inhibitors were opened for oral and parenteral administration for the first time. After successful solubility improvement of VAS3947, further investigations towards in vivo studies were conducted including stability studies with a focus on stability in solution and in plasma as presented in chapter IV. Furthermore, permeability and cytotoxicity assays were performed for the first time. It turned out that VAS3947 was instable in buffer and when exposed to light. Moreover, the compound showed decomposition in the presence of mouse microsomes and in human plasma. The VAS compounds contain an oxazol moiety linked to the triazolopyrimidine skeleton via a thioether. This structural element is responsible for the efficacy of the compound class, however it is susceptible to hydrolysis and to further degradation reactions. Moreover, VAS3947 harmed membrane integrity in the cell permeability assays and cytotoxicity investigations in HEK-293 and HEP-G2 cells revealed IC50 values in the same concentration range as reported for efficacy assays. Summarized, it was demonstrated that substances from the VAS library were no appropriate model compounds for ROS investigations nor suitable candidates for further preclinical development.},
  subject      = {L{\"o}slichkeit},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Merget2015,
  author    = {Merget, Benjamin},
  title     = {Computational methods for assessing drug-target residence times in bacterial enoyl-ACP reductases and predicting small-molecule permeability for the \(Mycobacterium\) \(tuberculosis\) cell wall},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-127386},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {\textbf{Molecular Determinants of Drug-Target Residence Times of Bacterial Enoyl-ACP Reductases.} Whereas optimization processes of early drug discovery campaigns are often affinity-driven, the drug-target residence time \$t_R\$ should also be considered due to an often strong correlation with \textit{in vivo} efficacy of compounds. However, rational optimization of \$t_R\$ is not straightforward and generally hampered by the lack of structural information about the transition states of ligand association and dissociation. The enoyl-ACP reductase FabI of the fatty acid synthesis (FAS) type II is an important drug-target in antibiotic research. InhA is the FabI enzyme of \textit{Mycobacterium tuberculosis}, which is known to be inhibited by various compound classes. Slow-onset inhibition of InhA is assumed to be associated with the ordering of the most flexible protein region, the substrate binding loop (SBL). Diphenylethers are one class of InhA inhibitors that can promote such SBL ordering, resulting in long drug-target residence times. Although these inhibitors are energetically and kinetically well characterized, it is still unclear how the structural features of a ligand affect \$t_R\$. Using classical molecular dynamics (MD) simulations, recurring conformational families of InhA protein-ligand complexes were detected and structural determinants of drug-target residence time of diphenyl\-ethers with different kinetic profiles were described. This information was used to deduce guidelines for efficacy improvement of InhA inhibitors, including 5'-substitution on the diphenylether B-ring. The validity of this suggestion was then analyzed by means of MD simulations. Moreover, Steered MD (SMD) simulations were employed to analyze ligand dissociation of diphenylethers from the FabI enzyme of \textit{Staphylococcus aureus}. This approach resulted in a very accurate and quantitative linear regression model of the experimental \$ln(t_R)\$ of these inhibitors as a function of the calculated maximum free energy change of induced ligand extraction. This model can be used to predict the residence times of new potential inhibitors from crystal structures or valid docking poses. Since correct structural characterization of the intermediate enzyme-inhibitor state (EI) and the final state (EI*) of two-step slow-onset inhibition is crucial for rational residence time optimization, the current view of the EI and EI* states of InhA was revisited by means of crystal structure analysis, MD and SMD simulations. Overall, the analyses affirmed that the EI* state is a conformation resembling the 2X23 crystal structure (with slow-onset inhibitor \textbf{PT70}), whereas a twist of residues Ile202 and Val203 with a further opened helix \$\alpha 6\$ corresponds to the EI state. Furthermore, MD simulations emphasized the influence of close contacts to symmetry mates in the SBL region on SBL stability, underlined by the observation that an MD simulation of \textbf{PT155} chain A with chain B' of a symmetry mate in close proximity of the SBL region showed significantly more stable loops, than a simulation of the tetrameric assembly. Closing Part I, SMD simulations were employed which allow the delimitation of slow-onset InhA inhibitors from rapid reversible ligands. \textbf{Prediction of \textit{Mycobacterium tuberculosis} Cell Wall Permeability.} The cell wall of \textit{M. tuberculosis} hampers antimycobacterial drug design due to its unique composition, providing intrinsic antibiotic resistance against lipophilic and hydrophilic compounds. To assess the druggability space of this pathogen, a large-scale data mining endeavor was conducted, based on multivariate statistical analysis of differences in the physico-chemical composition of a normally distributed drug-like chemical space and a database of antimycobacterial--and thus very likely permeable--compounds. The approach resulted in the logistic regression model MycPermCheck, which is able to predict the permeability probability of small organic molecules based on their physico-chemical properties. Evaluation of MycPermCheck suggests a high predictive power. The model was implemented as a freely accessible online service and as a local stand-alone command-line version. Methodologies and findings from both parts of this thesis were combined to conduct a virtual screening for antimycobacterial substances. MycPermCheck was employed to screen the chemical permeability space of \textit{M. tuberculosis} from the entire ZINC12 drug-like database. After subsequent filtering steps regarding ADMET properties, InhA was chosen as an exemplary target. Docking to InhA led to a principal hit compound, which was further optimized. The quality of the interaction of selected derivatives with InhA was subsequently evaluated using MD and SMD simulations in terms of protein and ligand stability, as well as maximum free energy change of induced ligand egress. The results of the presented computational experiments suggest that compounds with an indole-3-acethydrazide scaffold might constitute a novel class of InhA inhibitors, worthwhile of further investigation.},
  subject      = {Computational chemistry},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schuster2016,
  author    = {Schuster, Ann-Christin},
  title     = {Chemical and functional analyses of the plant cuticle as leaf transpiration barrier},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-133475},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Cuticles cover all above-ground primary plant organs and are lipoid in nature consisting of a cutin matrix with cuticular waxes embedded within or deposited on its surface. The foremost function of the plant cuticle is the limitation of transpirational water loss into the surrounding atmosphere. Transpiration of water vapour from plants differs between stomatal and cuticular transpiration. Stomatal closure minimises the stomatal water loss and the remaining, much lower water transpiration occurs through the plant cuticle. Temperature influence on the transpiration barrier properties of intact leaves is not yet known, despite the importance of the cuticular transpiration especially under drought and heat conditions. The present study focuses on the temperature-dependent minimum water permeability of whole leaves, in comparison to the temperature effect on the cuticular permeance of isolated, astomatous cuticles (Chapter I - III). The minimum water permeability was determined gravimetrically from leaf drying curves and represents the cuticular water permeability of intact, stomatous leaves under conditions of complete stomatal closure. The temperature effect on the transpiration barrier of the desert plant Rhazya stricta and the Mediterranean sclerophyll Nerium oleander exposed a continuous increase of minimum water permeabilities with an increase in temperature. In contrast to other published studies, no abrupt and steep increase of the water permeability at high temperatures was detected. This steep increase indicates structural changes of the barrier properties of isolated cuticular membranes with a drastic decrease of efficiency. A stabilising impact of the cell wall on the plant cuticle of intact leaves was proposed. This steadying effect was confirmed with different experimental approaches measuring the cuticular water permeability of Prunus laurocerasus intact leaves. Physiological analysis of water transport on isolated, astomatous leaf cuticles indicated a drastic decline of the barrier properties at elevated temperatures for Prunus laurocerasus but not for Nerium oleander. Cuticular components were quantitatively and qualitatively analysed by gas chromatography with a flame ionisation detector and a mass spectrometric detector, respectively. A high accumulation of pentacyclic triterpenoids as cuticular wax components in relation to the cutin monomer coverage was detected for Nerium oleander and for Rhazya stricta leaves, too. Accordingly, reinforcing of the cutin matrix by triterpenoids was proposed to improve the mechanical strength and to reduce the extensibility of plant cuticles. Thus, structural changes of the cuticular barrier properties were potentially suppressed at elevated temperatures. The function of the cuticular wax amount and/or wax composition and its relation with the cuticular water permeability remains to be elucidated. In the second part of this work the cuticular wax quantity and quality as well as its impact on the transpiration barrier properties was analysed in order to deduce a potential relation between chemistry and function of plant cuticles (Chapter IV - V). Chemical analyses of the cuticular wax components of a wide range of plant species, including one tropical (Vanilla planifolia), temperate (Juglans regia, Plantago lanceolata), Mediterranean (Nerium oleander, Olea europaea) and one desert (Rhazya stricta) plant species, were conducted. The cuticular wax compositions of nine characteristic plant species from xeric limestone sites naturally located in Franconia (Southern Germany) were determined for the first time. The corresponding minimum or cuticular water permeabilities of both stomatous and astomatous leaf surfaces were measured to detect a potential relationship between the cuticular wax amount, wax composition and the cuticular barrier properties. It was demonstrated that abundant cuticular wax amounts did not constitute more efficient transpiration barriers. However, 55\% of the cuticular barrier function can be attributed to the very-long-chain aliphatic wax coverages. These new findings provide evidence that the acyclic wax constituents play a pivotal role establishing efficient transpiration barriers. Additionally, these findings strengthen the hypothesis that cyclic components, such as pentacyclic triterpenoids, do not hinder the water diffusion through plant cuticles as effectively as acyclic constituents. For the first time a relationship between the cuticular wax composition and the transpiration barrier properties of a wide range of plant species proved insights into the potential relation between chemistry and function of plant cuticles.},
  subject      = {Kutikula},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Bergner2005,
  author    = {Bergner, Annina},
  title     = {Charakterisierung der Mikrostruktur und der Permeationseigenschaften von Polysiloxan-Netzwerken},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-13302},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war es, die Permeationseigenschaften von Polysiloxan-Membranen im Hinblick auf ihre definierte Mikrostruktur n{\"a}her zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Mikrostruktur der Membranen einen statistisch signifikanten Einfluss auf die Permeationsgeschwindigkeit der untersuchten Substanzen hat. Zum besseren Verst{\"a}ndnis der Permeation wurden auch die Diffusionsvorg{\"a}nge innerhalb der Membran untersucht. Durch den Einsatz der Konfokalen Raman-Spektroskopie ist es gelungen, den Aufbau eines Konzentrationsgradienten innerhalb der Membran zu zeigen. Weiterhin konnte der Einfluss der Mikrostruktur der Membranen auf die Geschwindigkeit des Aufbaus dieses Gradienten nachgewiesen werden.},
  subject      = {Siloxane},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Weh2002,
  author    = {Weh, Barbara},
  title     = {Permeationseigenschaften von Polydimethylsiloxan-Membranen in Abh{\"a}ngigkeit von der Netzbogenl{\"a}nge},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-2927},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2002},
  abstract  = {F{\"u}r die definierte und konstante Wirkstofffreigabe aus therapeutischen Systemen sind Kenntnisse der Mikrostruktur vonKontrollmembranen von großer Bedeutung. Durch eine Additionsreaktion k{\"o}nnen Polydimethylsiloxan-Membranen ausvinylendgestoppten linearen Polydimethylsiloxanen und niedermolekularen Si-H-funktionalisierten Polydimethylsiloxanen unterEinfluss eines Platin- Katalysators hergestellt werden. Hierbei ist es durch den Einsatz genau charakterisierterAusgangspolymere m{\"o}glich, Membranen mit einer statistisch definierten Mikrostruktur zu erhalten. Die Mikrostruktur kanndurch die Netzbogenl{\"a}nge charakterisiert werden. Der Abschnitt zwischen zwei Verkn{\"u}pfungspunkten in einem Netzwerk wirdals Netzbogenl{\"a}nge (NBL) bezeichnet. Diese beschreibt die Anzahl der Dimethyl-siloxan-Einheiten zwischen zweiVerkn{\"u}pfungen. Die Permeationseigenschaften wurden mit Hilfe des standardisierten Permeationskoeffizienten untersucht. Derstandardisierte Permeationskoeffizient ist von der mittleren Netzbogenl{\"a}nge der Polydimethylsiloxan-Membranen abh{\"a}ngig. Dieser Zusammenhang wurde an elf Benzoes{\"a}ure- und Naphthalinderivaten als Modellsubstanzen untersucht und best{\"a}tigt.Hierbei wurden Membranen mit den mittleren Netzbogenl{\"a}ngen 65, 99 und 122 Siloxan-Einheiten f{\"u}r die Untersuchungeneingesetzt. Bei allen untersuchten Substanzen stieg der Permeationskoeffizient mit gr{\"o}ßer werdender Netzbogenl{\"a}nge derMembranen geringf{\"u}gig an. Die Permeationskoeffizienten von Membranen mit der Netzbogenl{\"a}nge 122 waren dabei - mitlediglich vier Ausnahmen - stets statistisch signifikant gr{\"o}ßer als von Membranen mit der Netzbogenl{\"a}nge 65. Als m{\"o}gliche weitere Einflussfaktoren auf die Permeationsgeschwindigkeit wurden der Membran/Wasser-Verteilungskoeffizient, dasDipolmoment und das van der Waals-Volumen der elf Modellsubstanzen untersucht. Es konnte ein Zusammenhang zwischendem Membran/Wasser-Verteilungskoeffizienten und dem Permeationskoeffizienten aufgezeigt werden. Das Volumen deruntersuchten permeierenden Molek{\"u}le hat jedoch nur bei Netzbogenl{\"a}ngen kleiner als 122 einen Einfluss auf diePermeationsgeschwindigkeit. Als neue M{\"o}glichkeit zur Untersuchung der Diffusionskinetik vor Erreichen des station{\"a}renZustands in Polydimethylsiloxan-Membranen wurde die konfokale Raman-Spektroskopie eingesetzt. Bei derRaman-Spektroskopie wird das Probensystem w{\"a}hrend der Messung weder zerst{\"o}rt noch ver{\"a}ndert. Weiterhin ist es m{\"o}glich,durch das gekoppelte konfokale Mikroskop gezielt an einem bestimmten Punkt innerhalb der Membran zu messen. Damitk{\"o}nnen nun dynamische Vorg{\"a}nge wie der Aufbau eines Konzentrationsgradienten vor Erreichen des station{\"a}ren Zustandes aneinem bestimmten Punkt in einer Membran {\"u}ber einen l{\"a}ngeren Zeitraum gemessen werden. Anhand von Intensit{\"a}ts{\"a}nderungencharakteristischer Peaks oder der Verschiebung von Banden werden Konzentrations- und Struktur{\"a}nderungen der Membranund der permeierenden Molek{\"u}le sichtbar. Die Untersuchungen mit der konfokalen Raman-Spektroskopie zeigten, dass dieseMethode geeignet ist, Diffusionskinetiken im nicht station{\"a}ren Zustand innerhalb der Membranen zu beobachten.},
  subject      = {Polydimethylsiloxane},
  language  = {de}
}