TY - THES A1 - Hanio, Simon T1 - The impact of bile on intestinal permeability of drug substances T1 - Der Einfluss der Galle auf die intestinale Permeabilität von Arzneimittelwirkstoffen N2 - Most medicines are taken orally. To enter the systemic circulation, they dissolve in the intestinal fluid, cross the epithelial barrier, and pass through the liver. Intestinal absorption is driven by the unique features of the gastrointestinal tract, including the bile colloids formed in the lumen and the mucus layer covering the intestinal epithelium. Neglecting this multifaceted environment can lead to poor drug development decisions, especially for poorly water-soluble drugs that interact with bile and mucus. However, there is a lack of a rationale nexus of molecular interactions between oral medicines and gastrointestinal components with drug bioavailability. Against this background, this thesis aims to develop biopharmaceutical strategies to optimize the presentation of oral therapeutics to the intestinal epithelial barrier. In Chapter 1, the dynamics of bile colloids upon solubilization of the poorly-water soluble drug Perphenazine was studied. Perphenazine impacted molecular arrangement, structure, binding thermodynamics, and induced a morphological transition from vesicles to worm-like micelles. Despite these dynamics, the bile colloids ensured stable relative amounts of free drug substance. The chapter was published in Langmuir. Chapter 2 examined the impact of pharmaceutical polymeric excipients on bile-mediated drug solubilization. Perphenazine and Imatinib were introduced as model compounds interacting with bile, whereas Metoprolol did not. Some polymers altered the arrangement and geometry of bile colloids, thereby affecting the molecularly soluble amount of those drugs interacting with bile. These insights into the bile-drug-excipient interplay provide a blueprint to optimizing formulations leveraging bile solubilization. The chapter was published in Journal of Controlled Release. Chapter 3 deals with the impact of bile on porcine intestinal mucus. Mucus exposed to bile solution changed transiently, it stiffened, and the overall diffusion rate increased. The bile-induced changes eased the transport of the bile-interacting drug substance Fluphenazine, whereas Metoprolol was unaffected. This dichotomous pattern was linked to bioavailability in rats and generalized based on two previously published data sets. The outcomes point to a bile-mucus interaction relevant to drug delivery. The chapter is submitted. The Appendix provides a guide for biopharmaceutical characterization of drug substances by nuclear magnetic resonance spectroscopy aiming at establishing a predictive algorithm. In summary, this thesis deciphers bile-driven mechanisms shaping intestinal drug absorption. Based on these molecular insights, pharmaceuticals can be developed along a biopharmaceutical optimization, ultimately leading to better oral drugs of tomorrow. N2 - Die meisten Arzneimittel werden oral eingenommen. Um in den Blutkreislauf zu gelangen, liegen sie in der Darmflüssigkeit gelöst vor, überwinden die Epithelbarriere und passieren die Leber. Die intestinale Absorption wird durch die einzigartigen Eigenschaften des Magen-Darm-Trakts, einschließlich der im Lumen gebildeten Gallenkolloide und der Schleimschicht, die das Darmepithel bedeckt, bestimmt. Die Vernachlässigung dieser facettenreichen Umgebung kann zu schlechten Entscheidungen bei der Arzneimittelentwicklung führen, insbesondere bei schlecht wasserlöslich Wirkstoffen, die mit Galle und Schleim interagieren. Es fehlt jedoch eine rationale Verknüpfung der molekularen Wechselwirkungen zwischen oralen Arzneimitteln und gastrointestinalen Komponenten mit der Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, biopharmazeutische Strategien zur Optimierung der Präsentation von oralen Therapeutika an der intestinalen Epithelbarriere zu entwickeln. In Kapitel 1 wurde die Dynamik von Gallenkolloiden bei der Solubilisierung des schwer wasserlöslichen Wirkstoffes Perphenazin untersucht. Perphenazin beeinflusste die molekulare Anordnung, die Struktur sowie die Bindungsthermodynamik und führte zu einem morphologischen Übergang von Vesikeln hin zu wurmartigen Mizellen. Trotz dieser Dynamik sorgten die Gallenkolloide für stabile relative Mengen an freiem Arzneistoff. Dieses Kapitel wurde in Langmuir veröffentlicht. In Kapitel 2 wurde der Einfluss von pharmazeutischen polymeren Hilfsstoffen auf die Solubilisierung von Wirkstoffen durch Galle untersucht. Perphenazin und Imatinib wurden als Modellverbindungen eingeführt, die mit der Galle interagieren, während Metoprolol dies nicht tat. Einige Polymere veränderten die Anordnung und Geometrie der Gallenkolloide und beeinflussten somit die molekular lösliche Menge von solchen Wirkstoffen, die mit der Galle wechselwirken. Diese Einblicke in das Zusammenspiel von Galle und Arzneistoffen bieten einen Ansatz zur Optimierung von Formulierungen, die die Solubilisierung in der Galle nutzen. Dieses Kapitel wurde in Journal of Controlled Release veröffentlicht. Kapitel 3 befasst sich mit den Auswirkungen von Galle auf den Dünndarmschleim von Schweinen. Schleim, der Gallenlösung ausgesetzt war, veränderte sich vorübergehend, versteifte sich und die Gesamtdiffusionsrate nahm zu. Die durch die Galle hervorgerufenen Veränderungen erleichterten den Transport des mit der Galle interagierenden Wirkstoffs Fluphenazin, während Metoprolol unbeeinflusst blieb. Dieses dichotome Muster konnte mit der Bioverfügbarkeit bei Ratten verknüpft werden und durch zwei zuvor veröffentlichte Datensätze mit insgesamt 50 Verbindungen verallgemeinert werden. Die Ergebnisse deuten auf eine Wechselwirkung zwischen Galle und Schleim hin, die für die Verabreichung von Medikamenten relevant ist. Dieses Kapitel ist eingereicht. Der Anhang bietet einen Leitfaden für die biopharmazeutische Charakterisierung von Arzneimittelsubstanzen durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie mit dem Ziel des Aufstellens von prädiktiven Algorithmen. Zusammenfassend entschlüsselt diese Arbeit die von der Galle gesteuerten Mechanismen, die die Aufnahme von Arzneimitteln im Darm beeinflussen. Auf der Grundlage dieser molekularen Erkenntnisse können Arzneimittel entlang einer biopharmazeutischen Optimierung entwickelt werden, was letztendlich zu besseren oralen Arzneimitteln führt. KW - Solubilisation KW - Galle KW - Bioverfügbarkeit KW - Pharmazeutischer Hilfsstoff KW - drug delivery KW - absorption KW - intestinal permeability KW - poor water-soluble drugs KW - intestinal mucus KW - pig KW - drug formulation KW - molecular biopharmaceutics KW - mucin KW - Schleim KW - Bile KW - Mucus Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-348906 ER - TY - THES A1 - Eckstein, Marie-Therese T1 - Exploring the biology of the fungus Candida albicans in the gut of gnotobiotic mice T1 - Untersuchung der Biologie des Hefepilzes Candida albicans im Verdauungstrakt gnotobiotischer Mäuse N2 - The human body is colonized by trillions of microbes from all three domains of life – eukaryotes, bacteria and archaea. The lower gastrointestinal tract is the most densely colonized part of the body, harbouring a diverse and dynamic community of microbes. While the importance of bacteria in this so-called microbiota is well acknowledged, the role of commensal fungi remains underexplored. The most prominent fungus of the human gastrointestinal microbiota is Candida albicans. This fungus occasionally causes life-threatening disseminated infections in individuals with debilitated immune defences. It is this “pathogenic” facet that has received the most attention from researchers in the past, leaving many aspects of its “commensal” lifestyle understudied. Using gnotobiotic mice as a model system to explore the biology of C. albicans in the mammalian gut, in this dissertation I establish the global response of the host to C. albicans monocolonization as well as the spatial distribution of the fungus in the intestine in the context of co-colonization with single gut bacterial species. The fungus elicited transcriptome changes in murine intestinal tissue, which included the activation of a reactive oxygen species-related defence mechanism and the induction of regulators of the circadian clock circuitry. Both responses have previously been described in the context of a complete bacterial microbiota. Imaging the intestine of animals monocolonized with the fungus or co-colonized with C. albicans and the gut bacteria Bacteroides thetaiotaomicron or Lactobacillus reuteri revealed that the fungus was embedded in a B. thetaiotaomicron-promoted outer mucus layer in the murine colon. The gel-like outer mucus constitutes a unique microhabitat, distinct in microbial composition from the adjacent intestinal lumen. This finding indicates that bacteria can shape the specific microhabitat occupied by the fungus in the intestine. Overall, the results described in this dissertation suggest that gnotobiotic mice constitute a valuable tool to dissect multiple aspects of the interactions among host, commensal fungi and cohabiting bacteria. N2 - Der menschliche Körper beheimatet Billionen von Mikroorganismen aus allen drei Domänen des Lebens – Eukaryoten, Bakterien und Archaeen. Der menschliche Dickdarm ist dabei das am dichtesten besiedelte Organ des Körpers. Er beherbergt eine sehr diverse und dynamische Gemeinschaft von Mikroorganismen. Während die Relevanz der so genannten Mikrobiota weitreichend anerkannt ist, wurde die Bedeutung der kommensalen Pilze bisher noch vernachlässigt. Der am häufigsten vorkommende Pilz im menschlichen Gastrointestinaltrakt ist Candida albicans. Der Hefepilz kann vor allem in Patienten mit geschwächtem Immunsystem zum Ursprung lebensbedrohlicher Krankheiten werden. Diese Pathogenität des Pilzes wurde in den letzten Jahren ausführlich beleuchtet, wohingegen die kommensalen Aspekte des Pilzes vernachlässigt wurden. In dieser Dissertation habe ich, mit Hilfe von gnotobiotischen Mausmodellen, (i) das Leben von C. albicans im Säugetierdarm untersucht, (ii) die Reaktion des Wirts auf diese Kolonisierung ermittelt, (iii) sowie das Kolonisierungsverhalten und die Interaktionen von verschiedenen Darmbakterienspezies und C. albicans erforscht. Durch die alleinige Kolonisierung des Darms mit Candida albicans konnte ich Veränderungen im Transkriptom der Darmepithelzellen nachweisen, wie etwa die Aktivierung einer reaktiven Sauerstoffspezies-vermittelten Wirtsantwort und die Induktion von mehreren Regulatoren des zirkadianen Rhythmus. Beide dieser Wirtsreaktionen wurden zuvor nur in der Anwesenheit einer bakteriellen Mikrobiota nachgewiesen. Durch die Visualisierung der Pilzzellen im Darm während der Monokolonisierung, sowie während der Kolonisierung des Darms mit dem Pilz und den Darmbakterien, Bacteroides thetaiotaomicron oder Lactobacillus reuteri, konnten wir zeigen, dass der Pilz den von B. thetaiotaomicron neu geschaffenen Lebensraum, die äußere Mukusschicht, besiedeln kann. Diese äußere gelartige Mukusschicht ist ein einzigartiger Lebensraum, welcher sich stark von der inneren, sterilen Mukusschicht unterscheidet. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass einzelne Bakterienspezies den Lebensraum des Pilzes verändern können. Zusammenfassend konnte ich feststellen, dass die gnotobiotischen Mausmodelle sich sehr gut eignen, um die unterschiedlichen Aspekte der kommensalen Kolonisierung des Darms durch C. albicans, sowie dessen Interaktionen mit dem Wirt und den anwesenden Bakterien zu untersuchen. KW - Candida albicans KW - microbiota KW - Bacteroides thetaiotaomicron KW - spatial organization KW - Lactobacillus reuteri KW - intestinal mucus KW - gastronintestinal microbiota Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218705 ER -