TY  - THES
A1  - Werner, Vera
T1  - Pharmaceutically relevant protein-protein interactions for controlled drug delivery
T1  - Pharmazeutisch relevante Protein-Protein-Wechselwirkung für "Controlled drug delivery"
N2  - Protein-protein interactions play a crucial role in the development of drug delivery devices for the increasingly important biologicals, including antibodies, growth factors and cytokines. The understanding thereof might offer opportunities for tailoring carriers or drug proteins specifically for this purpose and thereby allow controlled delivery to a chosen target. The possible applications range from trigger-dependent release to sustained drug delivery and possibly permanently present stimuli, depending on the anticipated mechanism.
Silk fibroin (SF) is a biomaterial that is suitable as a carrier for protein drug delivery devices. It combines processability under mild conditions, good biocompatibility and stabilizing effects on incorporated proteins.
As SF is naturally produced by spiders and silkworms, the understanding of this process and its major factors might offer a blueprint for formulation scientists, interested in working with this biopolymer. The natural process of silk spinning covers a fascinating versatility of aggregate states, ranging from colloidal solutions through hydrogels to solid systems. The transition among these states is controlled by a carefully orchestrated process in vivo. Major players within the natural process include the control of spatial pH throughout passage of the silk dope, the composition and type of ions, and fluid flow mechanics within the duct, respectively. The function of these input parameters on the spinning process is reviewed before detailing their impact on the design and manufacture of silk based drug delivery systems (DDS). Examples are reported including the control of hydrogel formation during storage or significant parameters controlling precipitation in the presence of appropriate salts, respectively. The review details the use of silk fibroin to develop liquid, semiliquid or solid DDS with a focus on the control of SF crystallization, particle formation, and drug-SF interaction for tailored drug load.
Although we were able to show many examples for SF drug delivery applications and there are many publications about the loading of biologics to SF systems, the mechanism of interaction between both in solution was not yet extensively explored. This is why we made this the subject of our work, as it might allow for direct influence on pharmaceutical parameters, like aggregation and drug load.
In order to understand the underlying mechanism for the interaction between SF and positively charged model proteins, we used isothermal titration calorimetry for thermodynamic characterization. This was supported by hydrophobicity analysis and by colloidal characterization methods including static light scattering, nanoparticle tracking analysis and zeta potential measurements. We studied the effects of three Hofmeister salts – NaCl (neutral), NaSCN (chaotropic) and Na2SO4 (cosmotropic) – and the pH on the interaction of SF with the model proteins in dependence of the ratio from one to another. The salts impacted the SF structure by stabilizing (cosmotropic) or destabilizing (chaotropic) the SF micelles, resulting in completely abolished (cosmotropic) or strongly enhanced (chaotropic) interaction. These effects were responsible for different levels of loading and coacervation when varying type of salt and its concentration. Additionally, NaCl and NaSCN were able to prolong the stability of aqueous SF solution during storage at 25°C in a preliminary study. 
Another approach to influence protein-protein interactions was followed by covalent modification. Interleukin-4 (IL-4) is a cytokine driving macrophages to M2 macrophages, which are known to provide anti-inflammatory effects. The possibility to regulate the polarization of macrophages to this state might be attractive for a variety of diseases, like atherosclerosis, in which macrophages are involved. As these cases demand a long-term treatment, this polarization was supposed to be maintained over time and we were planning to achieve this by keeping IL-4 permanently present in an immobilized way. In order to immobilize it, we genetically introduced an alkyne-carrying, artificial amino acid in the IL-4 sequence. This allowed access to a site-specific click reaction (Cu(I)-catalyzed Huisgen azide-alkyne cycloaddition) with an azide partner. This study was able to set the basis for the project by successful expression and purification of the IL-4 analogue and by proving the availability for the click reaction and maintained bioactivity. The other side of this project was the isolation of human monocytes and the polarization and characterization of human macrophages. The challenge here was that the majority of related research was based on murine macrophages which was not applicable to human cells and the successful work was so far limited to establishing the necessary methods.
In conclusion, we were able to show two different methods that allow the influence of protein-protein interactions and thereby the possible tailoring of drug loading. Although the results were very promising for both systems, their applicability in the development of drug delivery devices needs to be shown by further studies.
N2  - Die Wechselwirkungen zwischen Proteinen spielen eine entscheidende Rolle in der Entwicklung von Freigabesystemen für die immer wichtiger werdenden Protein-Therapeutika, wie Antikörper, Wachstumsfaktoren und Zytokine. Das Verständnis dieser Mechanismen würde die Möglichkeit eröffnen, sowohl die Träger, als auch die zu verabreichenden Proteine so zu verändern und zu steuern, dass sie auf kontrollierte Weise an einem bestimmten Ort freigesetzt werden. Die Anwendungen hierfür reichen von Trigger gesteuerter Freisetzung, über verzögerte Freigabe bis zur permanenten Präsentation von Stimuli, abhängig davon was für die jeweilige Applikation gewünscht ist.
Seidenfibroin (SF) ist ein Biomaterial, welches verschiedene positive Eigenschaften für die Anwendung als Trägermaterial in sich vereint, indem es unter sehr milden Bedingungen verarbeitet werden kann, gut biokompatibel ist und stabilisierend auf eingebettete Proteine wirken kann.
Da SF in der Natur von Spinnen und Seidenraupen produziert wird, könnte das Verständnis dieses Prozesses, sowie seiner wichtigsten Faktoren eine Vorlage für die Formulierung dieses Biopolymers geben. Der natürliche Prozess des Seidenspinnens vereint eine faszinierende Vielfalt von Aggregatszuständen, die von kolloidalen Lösungen über Hydrogele bis hin zu festen System reichen. Die Übergänge zwischen diesen Zuständen sind in vivo sehr sorgfältig kontrolliert. Die Hauptfaktoren dieses Prozesses sind der pH-Wert während der Passage der Spinnlösung durch die Drüse, sowie die Art und Zusammensetzung der Ionen und die herrschenden Scherkräfte. Die Funktion dieser einzelnen Faktoren auf den Spinnprozess wurde recherchiert und wird beschrieben, bevor ihr Einfluss auf die Entwicklung und Herstellung von seidenbasierten Freigabesystemen untersucht wird. Es werden Beispiele vorgestellt, die die Kontrolle der Hydrogelbildung während der Lagerung untersuchen oder signifikante Parameter für die kontrollierte Präzipitation in Gegenwart bestimmter Salze zeigen. Der Review betrachtet den Einsatz von Seidenfibroin in der Entwicklung von flüssigen, halbfesten oder festen Freigabesystemen und legt besonderen Fokus auf die Kontrolle der SF Kristallisation, Partikelbildung und Interaktion mit dem Arzneistoff für steuerbare Beladung.
Obwohl wir viele Beispiele für die Anwendung von SF in Freigabesystemen zeigen konnten und viele Publikationen die Beladung von Proteinen auf SF-Systeme behandeln, wurde der Mechanismus der Interaktion zwischen beiden bisher nicht detailliert untersucht. Es gibt wenige Studien die einige Aspekte abdecken, aber keines beschäftigte sich spezifisch mit dieser Fragestellung. Darum machen wir dies zum Gegenstand unserer Arbeit, da dies einen direkten Einfluss auf pharmazeutische Parameter, wie Aggregation und Beladung, erlauben würde.
Um den zugrundeliegenden Mechanismus der Wechselwirkung zwischen SF und einem positiv geladenen Modellprotein zu verstehen, nutzten wir isotherme Titrationskalorimetrie für eine thermodynamische Charakterisierung. Diese wurde durch kolloidale Charakterisierungsmethoden wie Statische Lichtstreuung, nanoparticle tracking analysis und Zeta-potentialmessungen, sowie Hydrophobitätsbestimmungen unterstützt. Wir untersuchten die Effekte von drei verschiedenen Hofmeister Salzen - NaCl (neutral), NaSCN (chaotrop) und Na2SO4 (kosmotrop) – und des pH Wertes auf die Interaktion von SF mit dem Modellprotein in Abhängigkeit vom Verhältnis der beiden zueinander. Die Salze beeinflussten die SF Struktur, indem sie die SF Mizellen entweder stabilisierten (kosmotrop) oder destabilisierten (chaotrop) und dadurch die Interaktion entweder vollständig unterbanden (kosmotrop) oder verstärkten (chaotrop). Diese Effekte waren verantwortlich für verschiedene Level des Loadings und der Koazervation, wenn Salzart und –konzentration variiert wurden. Außerdem waren NaCl und NaSCN in der Lage die Stabilität einer wässrigen SF-Lösung während der Lagerung bei 25°C zu verlängern.
Ein andere Ansatz um die Wechselwirkung zwischen Proteinen zu beinflussen wurde mit kovalenter Modifikation verfolgt. Interleukin-4 (IL-4) ist ein Zytokin und kann Makrophagen zu M2 Makrophagen polarisieren, welche dann anti-inflammatorische Wirkungen haben. Die Möglichkeit diese Polarisation zu regulieren wäre für verschiedene Krankheiten, wie Arteriosklerose, bei denen Makrophagen eine Rolle spielen interessant. Da in diesen Fällen eine Langzeitbehandlung von Nöten ist sollte die Polarisation über die Zeit erhalten bleiben. Wir planten dies durch die Immobilisation von IL-4 zu erreichen, die für eine permanente Präsenz sorgen würde. Um IL-4 zu immobilisieren haben wir eine künstliche Aminosäure in die Sequenz eingeführt, die eine Alkingruppe trägt. Diese ermöglicht den Zugang zu einer Kupfer vermittelten, spezifischen Click-Reaktion (Cu(I)-catalyzed Huisgen azide-alkyne cycloaddition) mit einem Azid-Partner. Diese Studie war in der Lage die Basis für dieses Projekt zu erstellen, indem wir eine erfolgreiche Expression und Aufreinigung des IL-4 Analogons leisten konnten und dieses sowohl erhaltene Bioaktivität als auch Verfügbarkeit für die Clickreaktion zeigte.
Die andere Seite dieses Projekts bestand aus der Isolation von humanen Monozyten und der Polarisation und Charakterisierung von humanen Makrophagen. Die Herausforderung hierbei lag darin dass die meiste Forschung auf diesem Gebiet an murinen Makrophagen durchgeführt wurde und dies nicht auf humane Zellen übertragbar war, und die erfolgreiche Arbeit bisher, beschränkte sich auf die Etablierung der nötigen Methoden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir in der Lage waren zwei verschiedene Methoden zur Beeinflussung der Protein-Protein Wechselwirkungen und damit der Beladung zu zeigen. Obwohl die Ergebnisse für beide Systeme vielversprechend waren muss ihre Anwendbarkeit in der Entwicklung von Freigabesystemen noch durch weitere Studien belegt werden.
KW  - Protein-Protein-Wechselwirkung
KW  - Makrophage
KW  - Seide
KW  - silk fibroin
KW  - drug delivery
KW  - click chemistry
KW  - interleukin-4
KW  - thermodynamics
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - Interleukin 4
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117409
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dodt, Katharina Anna
T1  - Monitoring enzyme activity by using mass-encoded peptides and multiplexed detection
T1  - Überwachung von Enzymaktivität durch die Benutzung von massencodierten Peptiden und multiplexer Detektion
N2  - Cell culture models are helpful tools to study inflammatory diseases, like rheumatoid arthritis (RA), osteoarthritis (OA), arteriosclerosis or asthma, which are linked to increased matrix metalloproteinase (MMP) activity. Such cell culture models often focus on the secretion of cytokines and growth factors or the direct effects of disease on tissue destruction. Even though the crucial role of MMPs in inflammatory diseases is known, the results of MMP studies are contradictious and the use of MMPs as biomarkers is inconsistent. MMPs play an important role in disease pathology, as they are involved in elastin degradation in the walls of alveoli in chronic obstructive pulmonary disease (COPD), tumor angiogenesis and metastasis and in cartilage and bone degradation in arthropathies. In RA and OA MMPs are secreted by osteocytes, synoviocytes, and by infiltrating immune cells in response to the increased concentration of inflammatory mediators, like growth factors and cytokines. MMPs are zinc and calcium-dependent proteinases and play an important role in physiological and pathological extracellular matrix (ECM) turn over. Their substrate specificity gives them the ability to degrade all major ECM components, like aggrecan, elastin, gelatin, fibronectin and all types of collagen even the triple helix of collagen monomers. The ECM consists of two large three-dimensional cross-linked macromolecule classes: one are fibrous proteins, like collagen and elastin fibers that are responsible for ECM’s structure, tensile strength, resiliency, reversible extensibility, and deformability and the second class is comprised of proteoglycans composed of glycosaminoglycan (GAG) chains covalently attached to protein cores that are multifunctionally involved in signaling pathways and cell interactions. ECM is present within all tissues and organs and changes in ECM structure contribute to pathogenesis, e.g. wounded and fibrotic tissue, COPD or tumours.
This thesis primarily focuses on the development of a diagnostic peptide system, that enables to gain information on MMP activity from ECM by deploying the isobaric mass encoding strategy. The core element of the developed system is an isotopically labelled peptide sequence (mass tag), that is released in response to elevated levels of MMPs and allows multiplexed detection in tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The mass reporters possess a modular structure with different functionalities. C-terminal either a transglutaminase (TG) recognition sequence or a high molecular weight polyethylene glycol (PEG) moiety was attached to immobilize the mass reporters covalently or physically at the injection site. The following matrix metalloproteinase substrate sequence (MSS) is incorporated in two different versions with different sensitivity to MMPs. The MSS were applied in pairs for relative quantification consisting of the cleavable version synthesized with natural L-amino acids and the non-cleavable D-amino acid variant. The mass tag was synthesized with isotopically labelled amino acids and is separated from the MSS by a UV light-sensitive molecule. N-terminal the mass tag is followed by a tobacco etch virus protease (TEV) sensitive sequence, that is responsible to separate the mass tag from the affinity tag, which was either the Strep-tag II sequence or biotin and were added for purification purposes. 
Chapter 1 presents a step-by-step protocol on how to design a mass tag family allowing for multiplexed analysis by LC-MS/MS. The multiplexing is achieved by developing an isobar mass tag family with four family members, which are chromatographically indistinguishable, but due to the mass encoding principles they fragment in distinct y-type ions with a mass difference of 1 or 2 Da each in MS2. Furthermore, it is explained how to covalently attach the mass reporter peptides onto ECM by the activated calcium-catalyzed blood coagulation transglutaminase factor XIII (FXIIIa). The lysine of mass reporter’s TG sequence (D-domain of insulin-like growth factor-I (IGF-I)) and a glutamine in fibronectin are covalently crosslinked by FXIIIa and build an isopeptide bond. Elevated levels of MMP release the mass reporters from ECM by recognizing the inter-positioned MSS.
The designed mass reporters were able to monitor enzyme activity in an in vitro setting with cell-derived ECM, which was shown in Chapter 2. The modular structured mass reporters were investigated in a proof of concept study. First, the different modules were characterized in terms of their MMP responsiveness and their sensitivity to TEV protease and UV light. Then the FXIIIa-mediated coupling reaction was detailed and the successful coupling on ECM was visualized by an immunosorbent assay or confocal laser scanning microscopy. Finally, the immobilized mass reporters on ECM were incubated with MMP-9 to investigate their multiplexing ability of MMP activity. The cleaved mass reporter fragments were purified in three steps and mass tags were analyzed as mix of all four in LC-MS/MS. 
Chapter 3 describes the change from an immobilizing system as seen in chapter 1 and 2 to a soluble enzyme activity monitoring system that was applied in an osteoarthritic mouse model. Instead of the immobilizing TG sequence the C-terminal MMS was extended with two amino acids where one holds an azide moiety to perform a strain-promoted azide-alkyne cycloaddition to a high molecular weight dibenzocyclooctyne-polyethylene glycol (DBCO-PEG), which was chosen to retain the mass reporters at the injection site. Furthermore, the N-terminal affinity tag was extended with a 2.5 kDa PEG chain to increase the half-life of the mass reporter peptides after MMP release. The systems biocompatibility was proved but its enzyme monitoring ability in an in vivo setting could not be analyzed as samples degraded during shipping resulting from the Chinese customs blocking transport to Germany. 
In summary the diagnostic peptide system was developed in two variants. The immobilized version one from chapter 1 and 2 was designed to be covalently attached to ECM by the transglutaminase-mediated cross-linking reaction. In an in vitro setting the functionality of the mass reporter system for the detection of MMP activity was successfully verified. The second variant comprises of a soluble mass reporter system that was tested in an OA mouse model and showed biocompatibility. With these two designed systems this thesis provides a flexible platform based on multiplexed analysis with mass-encoded peptides to characterize cell culture models regarding their MMP activity, to deploy cell-derived ECM as endogenous depot scaffold and to develop a mass tag family that enables simultaneous detection of at least four mass tags.
N2  - Zellkulturmodelle sind hilfreiche Werkzeuge, um entzündliche Krankheiten, wie rheumatoide Arthritis (RA), Osteoarthritis (OA), Arteriosklerose und Asthma, die mit einer erhöhten Aktivität von Matrixmetalloproteinasen (MMPs) verbunden sind, zu untersuchen. Viele Zellkulturmodelle fokussieren sich hauptsächlich auf die Sekretion von Zytokinen und Wachstumsfaktoren oder die direkten Effekte der Entzündung auf die Gewebezerstörung. Obwohl die zentrale Rolle der MMPs in entzündlichen Erkrankungen bekannt ist, wird die Untersuchung von MMPs in diesen Zellkulturmodellen vernachlässigt. MMPs spielen eine wichtige Rolle in der Krankheitsentstehung, da sie am Abbau von Elastin in den Wänden der Alveolen bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), an der Gefäßneubildung und Metastasenbildung von Tumoren und an Knorpelabbau und Knochenzerstörung in Gelenkerkrankungen beteiligt sind. In RA und OA werden MMPs von Osteozyten, Synoviozyten und infiltrierenden Immunzellen als Antwort auf erhöhte Konzentrationen an entzündlichen Mediatoren, wie Wachstumsfaktoren und Zytokinen, sekretiert. MMPs sind Zink- und Calcium-abhängige Proteinasen, die eine wichtige Rolle beim physiologischen und pathologischen Turnover der extrazellulären Matrix (EZM) spielen. Ihre Substratspezifität verleiht ihnen die Fähigkeit alle Hauptkomponenten der EZM, wie Aggrecan, Elastin, Gelatin, Fibronectin und alle Typen des Kollagens, sogar die dreifach-Helix der Kollagenmonomere, abzubauen. Die EZM besteht aus zwei großen, drei-dimensional vernetzten Makromolekülklassen: zu der ersten Klasse zählen die faserigen Proteine, wie Kollagen- und Elastinfasern, die für die Struktur der EZM, ihre Zugfestigkeit, Elastizität, reversible Dehnbar- und Verformbarkeit verantwortlich sind und zur zweiten Klasse gehören die Proteoglykane, die aus Glykosaminoglykanketten (GAG), die kovalent an Kernproteine gebunden sind, bestehen und zusammen multifunktional in Signalwege und Zellinteraktionen involviert sind. Jedes Gewebe und Organ ist mit EZM ausgekleidet und Änderungen in der EZM Struktur können zur Krankheitsentstehung beitragen, z.B. bei verletztem und fibrotischem Gewebe, COPD oder Tumoren.
Diese Promotion fokussiert sich primär auf die Entwicklung eines diagnostischen Peptidsystem, das es ermöglicht durch die Anwendung der isobaren massencodierten Strategie Informationen über MMP Aktivität der EZM zu gewinnen. Eine isotopenmarkierte Peptidsequenz stellt dabei das Kernelement des entwickelten Systems dar, welche als Antwort auf erhöhte MMP Level von der EZM freigegeben wird und eine gebündelte Detektion per Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) erlaubt. Die Massenreporter besitzen einen modularen Aufbau mit unterschiedlichen Funktionalitäten. Am C-terminalen Ende wurde entweder eine Transglutaminase (TG) Erkennungssequenz oder eine hochmolekulare Polyethylenglykol (PEG) Einheit angehängt, um die Massenreporter kovalent oder physikalische am Applikationsort zu immobilisieren. Die darauffolgende eingeschobene Matrixmetalloproteinase Substratsequenz (MSS) wurde in zwei verschiedenen Versionen mit unterschiedlicher MMP Sensitivität angewendet. Die MSSs werden für die relative Quantifizierung jeweils in Paaren verwendet, wobei die spaltbare Variante mit natürlichen L-Aminosäuren synthetisiert wird und die nicht-spaltbare Sequenz mit D-Aminosäuren. Der Mass tag wird mit isotopenmarkierten Aminosäuren versehen und ist von dem MSS durch ein lichtsensitives Molekül getrennt. N-terminal des Mass tags folgt die TEV Protease-sensitive Peptidsequenz, die zur Abspaltung des Affinitäts-tags vom Mass tag eingebaut wurde. Zur Aufreinigung dient ein Affinitätstag, der entweder aus der Strep-tag II Sequenz oder Biotin besteht.
In Kapitel 1 werden Schritt-für-Schritt Protokolle präsentiert, für die Gestaltung und Entwicklung einer Gruppe von isotopenmarkierten Peptiden, die eine simultane Analyse per LC-MS/MS zulassen. Die gleichzeitige Detektion wird dadurch erreicht, dass jedes Gruppenmitglied in der Summe die gleiche Molekülmasse besitzt, aber aufgrund der angewandten isobaren Isotopenmarkierungen fragmentieren diese in MS2 in spezifische y-Typ Ionen, die einen Massenunterschied von 1 oder 2 Da besitzen. Zudem wurde erklärt, wie die Massenreporter Peptide durch den aktivierten, Calcium-abhängigen Blutkoagulationsfaktor XIII (FXIIIa) kovalent an die EZM gebunden werden. Bei der enzymatischen Reaktion wird durch das Quervernetzen des Lysins der TG Aminosäuresequenz (der D-Domäne von IGF-I) der Massenreporter mit dem Glutamin der Aminosäureerkennungssequenz in Fibronectin eine Isopeptidbindung gebildet. Die Freisetzung der Massenreporter von der EZM erfolgt aufgrund des erhöhten MMP Level und geschieht durch die Spaltung der dazwischenliegenden MSS.
Die entwickelten Massenreporter waren in der Lage die Enzymaktivität in einer aus Fibroblasten stammenden in vitro Umgebung aus EZM zu beobachten, was in Kapitel 2 dargestellt wird. Die modulare Struktur der Massenreporter wurde in einer Machbarkeitsstudie untersucht. Zuerst wurden die verschiedenen Module bezüglich ihrer Ansprechempfindlichkeit auf MMP und ihrer Sensitivität gegenüber der TEV Protease und UV-Licht charakterisiert. Dann wurden die vier Peptide FXIIIa-vermittelt an die EZM gekoppelt und die erfolgreiche Kopplung an EZM wurde mit Hilfe eines immunologischen Verfahrens oder konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie visualisiert. Abschließend wurden die auf der EZM immobilisierten Massenreporter mit MMP-9 inkubiert, um deren Fähigkeit der gleichzeitigen Detektion von MMP Aktivität zu untersuchen. Die abgespalteten Massenreporterfragmente wurden in drei Schritten aufgereinigt und die vier isotopenmarkierten Tags wurden als Mix mittels LC-MS/MS analysiert.
Kapitel 3 beschreibt die Änderung der aus Kapitel 1 und 2 bekannten immobilisierten System zu einem löslichen System, das die Enzymaktivität in Körperflüssigkeiten bestimmen soll und in einem Mausmodell für Osteoarthritis getestet wurde. Anstelle der immobilisierenden TG Sequenz wurde der C Terminus der MSS um zwei Aminosäuren erweitert. Eine Aminosäure trägt eine Azidgruppe um eine Azid-Alkin Cycloaddition mit einem hochmolekularen PEG durchzuführen, die ausgewählt wurde, um die Massenreporter an der Injektionsstelle zurückzuhalten. Des Weiteren wurde der Affinitäts-tag mit einer 2.5 kDa PEG-Kette erweitert, um die Halbwertszeit des von MMPs freigesetzten Massenreporterpeptides zu erhöhen. Die Biokompatibilität des Systems wurde erwiesen, allerdings war es nicht möglich die MMP Aktivität in einem in vivo Model zu zeigen, da eine Analyse der Proben aufgrund von Versand- und Zollproblemen und damit verbundenen Instabilitäten nicht möglich war.
Zusammenfassend wurde ein diagnostische Peptidsystem bestehend aus zwei Varianten entwickelt. Die zu immobilisierende Version aus Kapitel 1 und 2 wurde so konzipiert, dass die Peptide durch die Transglutaminase vermittelte Quervernetzungsreaktion kovalent an EZM gebunden werden. In einem in vitro Model wurde die Funktionalität des Massenreporter Systems hinsichtlich der Detektion von MMP Aktivität erfolgreich bestätigt. Die zweite Variante, bestehend aus einem löslichen Massenreporter System, wurde in einem Osteoarthritis Mausmodel getestet und zeigte Biokompatibilität. Mit diesen zwei entworfenen Systemen stellt diese Dissertation eine flexible Plattform zur Verfügung, die basierend auf der multiplexen Detektion von isotopenmarkierten Peptiden, für die Charakterisierung von Zellkulturmodellen bezüglich deren MMP Aktivität genutzt wird, die zelluläre EZM als endogenes Depot anwendet und die durch die Entwicklung einer Familie aus isotopenmarkierten Tags eine simultane Detektion von mindestens vier Tags erlaubt.
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Tandem-Massenspektrometrie
KW  - Proteasen
KW  - Markierte Verbindungen
KW  - isotopically labelled peptides
KW  - tandem mass spectrometry
KW  - matrix metalloproteinase
KW  - extracellular matrix
KW  - transglutaminase
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229377
ER  - 
TY  - THES
A1  - Werner, Katharina Julia
T1  - Adipose Tissue Engineering - In vitro Development of a subcutaneous fat layer and a vascularized adipose tissue construct utilizing extracellular matrix structures
T1  - Fettgewebe Engineering - In vitro Entwicklung einer subkutanen Fettschicht und eines vaskularisierten Fettgewebskonstruktes unter Verwendung extrazellulärer Matrixstrukturen
N2  - Each year millions of plastic and reconstructive procedures are performed to regenerate soft tissue defects after, for example, traumata, deep burns or tumor resections. Tissue engineered adipose tissue grafts are a promising alternative to autologous fat transfer or synthetic implants to meet this demand for adipose tissue. Strategies of tissue engineering, especially the use of cell carriers, provide an environment for better cell survival, an easier positioning and supplemented with the appropriate conditions a faster vascularization in vivo. To successfully engineer an adipose tissue substitute for clinical use, it is crucial to know the actual intended application. In some areas, like the upper and lower extremities, only a thin subcutaneous fat layer is needed and in others, large volumes of vascularized fat grafts are more desirable. The use and interplay of stem cells and selected scaffolds were investigated and provide now a basis for the generation of fitted and suitable substitutes in two different application areas.

Complex injuries of the upper and lower extremities, in many cases, lead to excessive scarring. Due to severe damage to the subcutaneous fat layer, a common sequela is adhesion formation to mobile structures like tendons, nerves, and blood vessels resulting in restricted motion and disabling pain [Moor 1996, McHugh 1997]. In order to generate a subcutaneous fat layer to cushion scarred tissue after substantial burns or injuries, different collagen matrices were tested for clinical handling and the ability to support adipogenesis. When testing five different collagen matrices, PermacolTM and StratticeTM showed promising characteristics; additionally both possess the clinical approval. Under culture conditions, only PermacolTM, a cross-linked collagen matrix, exhibited an excellent long-term stability. Ranking nearly on the same level was StratticeTM, a non-cross-linked dermal scaffold; it only exhibited a slight shrinkage. All other scaffolds tested were severely compromised in stability under culture conditions. Engineering a subcutaneous fat layer, a construct would be desirable with a thin layer of emerging fat for cushioning on one side, and a non-seeded other side for cell migration and host integration. With PermacolTM and StratticeTM, it was possible to produce constructs with ASC (adipose derived stem cells) seeded on one side, which could be adipogenically differentiated. Additionally, the thickness of the cell layer could be varied. Thereby, it becomes possible to adjust the thickness of the construct to the surrounding tissue. In order to reduce the pre-implantation time ex vivo and the costs, the culture time was varied by testing different induction protocols. An adipogenic induction period of only four days was demonstrated to be sufficient to obtain a substantial adipogenic differentiation of the applied ASC. Thus, seeded with ASC, PermacolTM and StratticeTM are suitable scaffolds to engineer subcutaneous fat layers for reconstruction of the upper and lower extremities, as they support adipogenesis and are appropriately thin, and therefore would not compromise the cosmesis.

For the engineering of large-volume adipose tissue, adequate vascularization still represents a major challenge. With the objective to engineer vascularized fat pads, it is important to consider the slow kinetics of revascularization in vivo. Therefore, a decellularized porcine jejunum with pre-existing vascular structures and pedicles to connect to the host vasculature or the circulation of a bioreactor system was used. In a first step, the ability of a small decellularized jejunal section was tested for cell adhesion and for supporting adipogenic differentiation of hASC mono-cultures. Cell adhesion and adipogenic maturation of ASC seeded on the jejunal material was verified through histological and molecular analysis. After the successful mono-culture, the goal was to establish a MVEC (microvascular endothelial cells) and ASC co-culture; suitable culture conditions had to be found, which support the viability of both cell types and do not interfere with the adipogenic differentiation. After the elimination of EGF (epidermal growth factor) from the co-culture medium, substantial adipogenic maturation was observed. In the next step, a large jejunal segment (length 8 cm), with its pre-existing vascular structures and arterial/venous pedicles, was connected to the supply system of a custom-made bioreactor. After successful reseeding the vascular structure with endothelial cells, the lumen was seeded with ASC which were then adipogenically induced. Histological and molecular examinations confirmed adipogenic maturation and the existence of seeded vessels within the engineered construct. Noteworthily, a co-localization of adipogenically differentiating ASC and endothelial cells in vascular networks could be observed. So, for the first time a vascularized fat construct was developed in vitro, based on the use of a decellularized porcine jejunum. As this engineered construct can be connected to a supply system or even to a patient vasculature, it is versatile in use, for example, as transplant in plastic and reconstruction surgery, as model in basic research or as an in vitro drug testing system. 

To summarize, in this work a promising substitute for subcutaneous fat layer reconstruction, in the upper and lower extremities, was developed, and the first, as far as reported, in vitro generated adipose tissue construct with integrated vascular networks was successfully engineered.
N2  - Jedes Jahr werden Millionen von plastischen und wiederherstellenden Eingriffe durchgeführt, um zum Beispiel nach Traumata, hochgradigen Verbrennungen oder Tumorekonstruktionen, die natürliche Erscheinung und Funktion im Bereich von Weichgewebsdefekt wiederherzustellen. Gezüchtete Fettgewebskonstrukte sind eine vielversprechende Alternative zu autologen Fettgewebstransfers oder synthetischen Implantaten, um dem Bedarf an Fettgewebe gerecht zu werden. Die Strategien der Gewebezüchtung, besonders das Verwenden von Zellträgern, schaffen eine Umgebung für besseres Zellüberleben, eine einfachere Positionierung und - versehen mit den entsprechenden Eigenschaften - eine schnellere Vaskularisierung in vivo. Um erfolgreich einen Fettgewebe-Ersatz für die klinische Anwendung herzustellen, ist es notwendig das spätere Anwendungsgebiet zu kennen. In manchen Bereichen, wie in den oberen und unteren Extremitäten, braucht man nur eine dünne Unterhautfettschicht, und in anderen Bereichen wiederum ist ein großes Volumen an vaskularisiertem Fettgewebskonstrukt anzustreben. Die Nutzung und das Zusammenspiel von Stammzellen und ausgewählten Zellträgern wurden untersucht und legen nun eine Basis für die Herstellung von passendem und zweckmäßigem Ersatzgewebe zweier unterschiedlicher Anwendungsgebiete.

Komplexe Verletzungen der oberen und unteren Extremitäten führen oftmals zu beträchtlicher Narbenbildung. Eine häufige Folgeerscheinung, hervorgerufen durch eine schwere Beschädigung des Unterhautfettgewebes, ist die Adhäsion zwischen mobilen Strukturen wie Sehnen, Nerven und Blutgefäßen. Dies resultiert dann in eingeschränkter Beweglichkeit und lähmenden Schmerzen [Moor 1996, McHugh 1997]. Um eine subkutane Fettschicht herzustellen, die das vernarbte Gewebe nach schwerer Verbrennung oder Verletzung polstert, wurden verschiedene Kollagenmaterialien auf die klinische Handhabung und die Unterstützung der Adipogenese untersucht. In der Untersuchung von fünf verschiedenen Kollagenmatrices zeigten PermacolTM und StratticeTM vielversprechende Eigenschaften. Beide besitzen außerdem die klinische Zulassung. PermacolTM, eine chemisch quervernetzte Kollagenmatrix, zeigte unter Kulturbedingungen hervorragende Langzeitstabilität. Fast ebenso gute Eigenschaften konnten bei StratticeTM, einem nicht vernetzten dermalen Gerüstmaterial, beobachtet werden; es zeigte lediglich leichte Schrumpfung. Alle sonst getesteten Kollagenmaterialien waren unter Kulturbedingungen stark in ihrer Stabilität beeinträchtigt. Zur Herstellung einer subkutanen Fettschicht wäre ein Konstrukt wünschenswert mit einer dünnen, gerade entstehenden Fettschicht für die Polsterung auf der einen Seite und einer nicht besiedelten anderen Seite für die Zelleinwanderung und die Integration in das umliegende Gewebe. Mit PermacolTM und StratticeTM war es möglich Konstrukte herzustellen, welche auf einer Seite mit ASC (aus dem Fettgewebe isolierte Stammzellen) besiedelt und anschließend adipogen differenziert werden konnten. Zusätzlich konnte die Dicke der Zellschicht hierbei variiert werden. Somit ist es möglich die Dicke des Konstruktes an das umliegende Gewebe anzupassen. Um die Preimplantationszeit ex vivo zu verkürzen und damit auch die Kosten zu senken, wurde die Kulturzeit variiert, indem verschiedene Induktionsprotokolle getestet wurden. Eine adipogene Induktionsperiode von nur vier Tagen erwies sich als ausreichend, um eine substantielle adipogene Differenzierung der eingesetzten ASC zu erreichen. Das heißt, die mit ASC besiedelten PermacolTM und StratticeTM Matrices sind zweckdienliche Zellträgermaterialien, um eine subkutane Fettschicht für die oberen und unteren Extremitäten herzustellen, da sie die Adipogenese unterstützen und durch die nur geringe und anpassbare Dicke die Kosmesis nicht beeinträchtigen.

Für die Entwicklung von großvolumigem Fettgewebe stellt die adäquate Vaskularisierung noch immer eine große Herausforderung dar. Mit dem Ziel ein vaskularisiertes Fettkonstrukt herzustellen, ist es wichtig die langsame Kinetik der Revaskularisierung in vivo zu berücksichtigen. Daher wurde hier ein dezellularisiertes Schweinedarmsegment mit schon vorhandenen Gefäßstrukturen und Gefäßanschlüssen für die Verbindung zum Kreislaufsystem des Patienten oder eines Bioreaktor-Systems verwendet. Im ersten Schritt wurden auf einem kleinen dezellularisierten Schweinedarm-Stück die Zelladhäsion und die adipogene Differenzierung der ASC in Monokultur getestet. Die Zelladhäsion und die adipogene Reifung konnte mittels histologischer und molekularer Analysen auf dem jejunalen Material nachgewiesen werden. Nach der erfolgreichen Monokultur musste die Co-Kultur von MVEC (micro vaskuläre Endothelzellen) und ASC etabliert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden geeignete Kulturbedingungen gesucht, die die Lebensfähigkeit beider Zelltypen unterstützen und gleichzeitig die adipogene Differenzierung nicht beeinträchtigen. Nach dem Ausschluss von EGF (epidermaler Wachstumsfaktor) aus dem Co-Kulturmedium wurde eine substantielle adipogene Reifung der ASC beobachtet. Im nächsten Schritt wurde ein großes dezellularisiertes jejunales Darmsegment (Länge 8 cm) mit der schon existenten Gefäßstruktur und dem arteriellen und venösen Gefäßstiel an den spezialangefertigten Bioreaktor angeschlossen. Nach der erfolgreichen Wiederbesiedelung der Gefäßstrukturen mit Endothelzellen wurde das Darmlumen mit ASC besiedelt, welche anschließend adipogen induziert wurden. Histologische und molekulare Untersuchungen konnten die adipogenen Reifung und die Existenz von besiedelten Gefäßen im hergestellten Konstrukt bestätigen. Besonders erwähnenswert ist die Beobachtung der Co-Lokalisierung von adipogen differenzierenden ASC und Endothelzellen in vasculären Netzwerken. Somit wurde zum ersten Mal - basierend auf einem dezellularisierten Schweinedarm - ein vaskularisiertes Fettgewebskonstrukt in vitro hergestellt. Da dieses Konstrukt an das Versorgungssystem angeschlossen oder mit dem Blutkreislauf des Patienten verbunden werden kann, ist es vielfältig einsetzbar, zum Beispiel in der plastisch-rekonstruktiven Chirurgie, als Modell in der Grundlagenforschung oder als ein in vitro Medikamenten-Testsystem.

Zusammengefasst, wurde in der vorgelegten Arbeit ein vielversprechendes Ersatzmaterial für die Rekonstruktion des Unterhautfettgewebes für die unteren und oberen Extremitäten entwickelt, und zum ersten Mal erfolgreich, so weit in der Literatur bekannt, ein Fettgewebskonstrukt mit integriertem vaskularisiertem Netzwerk in vitro generiert.
KW  - Tissue Engineering
KW  - Fettgewebe
KW  - Extrazelluläre Matrix
KW  - Vascularisation
KW  - adipose tissue engineering
KW  - subcutaneous fat layer
KW  - scar revision surgery
KW  - vascularized fat construct
KW  - Bioreactor System
KW  - extracellular matrix
KW  - adipose tissue
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-104676
ER  - 
TY  - THES
A1  - Staiger, Simona
T1  - Chemical and physical nature of the barrier against active ingredient penetration into leaves: effects of adjuvants on the cuticular diffusion barrier
T1  - Chemische und physikalische Beschaffenheit der Barriere gegenüber Wirkstoffen: Adjuvantieneffekte auf die kutikuläre Diffusionsbarriere
N2  - Agrochemicals like systemic active ingredients (AI) need to penetrate the outermost barrier of the plant, known as the plant cuticle, to reach its right target site. Therefore, adjuvants are added to provide precise and efficient biodelivery by i.a. modifying the cuticular barrier and increasing the AI diffusion. This modification process is depicted as plasticization of the cuticular wax which mainly consists of very long-chain aliphatic (VLCA) and cyclic compounds. Plasticization of cuticular waxes is pictured as an increase of amorphous domains and/or a decrease of crystalline fractions, but comprehensive, experimental proof is lacking to date. Hence, the objective of this thesis was to i) elucidate the permeation barrier of the plant cuticle to AIs in terms of the different wax fractions and ii) holistically investigate the modification of this barrier using selected oil and surface active adjuvants, an aliphatic leaf wax and an artificial model wax. Therefore, the oil adjuvant methyl oleate (MeO) and other oil derivatives like methyl linolenate (MeLin), methyl stearate (MeSt) and oleic acid (OA) were selected. Three monodisperse, non-ionic alcohol ethoxylates with increasing ethylene oxide monomer (EO) number (C10E2, C10E5, C10E8) were chosen as representatives of the group of surface active agents (surfactants). Both adjuvant classes are commonly used as formulation aids for agrochemicals which are known for its penetration enhancing effect. The aliphatic leaf wax of Schefflera elegantissima was selected, as well as a model wax comprising the four most abundant cuticular wax compounds of this species. Permeation, transpiration and penetration studies were conducted using enzymatically isolated cuticles of Prunus laurocerasus and Garcinia xanthochymus.

Cuticular permeability to the three organic solutes theobromine, caffeine and azoxystrobin differing in lipophilicity was measured using a steady-state two-chamber system separated by the isolated leaf cuticles of the evergreen species P. laurocerasus and G. xanthochymus. Treating the isolated cuticles with methanol selectively removed the cyclic fraction, and membrane permeability to the organic compounds was not altered. In contrast, fully dewaxing the membranes using chloroform resulted in a statistically significant increase in permeance for all compounds and species, except caffeine with cuticles of G. xanthochymus due to a matrix-specific influence on the semi-hydrophilic compound. Crystalline regions may reduce the accessibility to the lipophilic pathway across the waxes and also block hydrophilic domains in the cuticle.
Knowing that the aliphatic wax fraction builds the cuticular diffusion barrier, the influence of the adjuvants on the phase behaviour of an aliphatic cuticular wax as well as the influence on the cuticular penetration of AIs were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were selected to investigate the phase behaviour and thus possible plasticization of pure Schefflera elegantissima leaf wax, its artificial model wax comprising the four most abundant compounds (n-nonacosane, n-hentriacontane, 1-triacontanol and 1-dotriacontanol) and wax adjuvant mixtures. DSC thermograms showed a shift of the melting ranges to lower temperatures and decreased absolute values of the total enthalpy of transition (EOT) for all adjuvant leaf wax blends at 50 % (w/w) adjuvant proportion. The highest decrease was found for C10E2 followed by MeO > OA and C10E8 > MeLin > MeSt. The aliphatic crystallinity determined by FTIR yielded declined values for the leaf and the artificial wax with 50 % MeO. All other adjuvant leaf wax blends did not show a significant decrease of crystallinity. As it is assumed that the cuticular wax is formed by crystalline domains which consist of aliphatic hydrocarbon chains and an amorphous fraction comprising aliphatic chain ends and functional groups, the plasticizers are depicted as wax disruptors influencing amorphization and/or crystallization. The adjuvants can increase crystalline domains using the aliphatic tail whereas their more hydrophilic head is embedded in the amorphous wax fraction. DSC and FTIR showed similar trends using the leaf wax and the model wax in combination with the adjuvants.
In general, cuticular transpiration increased after adding the pure adjuvants to the surface of isolated cuticles or leaf envelopes. As waxes build the cuticular permeation barrier not only to AIs but also to water, the adjuvant wax interaction might affect the cuticular barrier properties leading to increased transpiration. Direct evidence for increased AI penetration with the adjuvants was given using isolated cuticles of P. laurocerasus in combination with the non-steady-state setup simulation of foliar penetration (SOFP) and caffeine at relative humidity levels (RH) of 30, 50 and 80 %. The increase in caffeine penetration was much more pronounced using C10E5 and C10E8 than MeO but always independent of RH. Only C10E2 exhibited an increased penetration enhancing effect positively related to RH. The role of the molecular structure of adjuvants in terms of humectant and plasticizer properties are discussed. 
Hence, the current work shows for the first time that the cuticular permeation barrier is associated with the VLCAs rather than the cyclic fraction and that adjuvants structurally influence this barrier resulting in penetration enhancing effects. Additionally, this work demonstrates that an artificial model wax is feasible to mimic the wax adjuvant interaction in conformity with a leaf wax, making it feasible for in-vitro experiments on a larger scale (e.g. screenings). This provides valuable knowledge about the cuticular barrier modification to enhance AI penetration which is a crucial factor concerning the optimization of AI formulations in agrochemistry.
N2  - Um ihren optimalen Wirkort in der Pflanze zu erreichen, müssen Agrochemikalien wie systemische Wirkstoffe zunächst die Kutikula überwinden, die die äußerste Barriere der Pflanze darstellt. Es werden sogenannte Adjuvantien verwendet, die unter anderem die kutikuläre Barriere modifizieren, um eine präzise und effiziente Bereitstellung des Wirkstoffs wie auch eine erhöhte Wirkstoffdiffusion zu ermöglichen. Diese Modifikation wird als Weichmachereffekt der Adjuvantien im kutikulären Wachs verstanden. Die Wachse umfassen hauptsächlich langkettige Aliphaten (VLCA) und zyklische, organische Komponenten. Da die Wachse aus kristallinen, für Wirkstoffe unzugänglichen und amorphen, zugänglichen Bereichen bestehen, wird angenommen, dass der Weichmacherprozess eine Zunahme der amorphen Phase und/oder eine Abnahme der kristallinen Phase hervorruft. Allerdings sind umfassende, experimentelle Beweise bisher nicht verfügbar. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf i) der Aufklärung, wie die verschiedenen Wachsfraktionen zur kutikulären Permeationsbarriere gegenüber Wirkstoffen beitragen und ii) der ganzheitlichen Untersuchung der kutikulären Penetrationsbarriere hinsichtlich eines aliphatischen Pflanzen- und Modelwachses und des Einflusses ausgewählter Öl- und Tensid-Adjuvantien. Hierfür wurden die Öle Methyloleat (MeO), Methyllinolenat (MeLin), Methylstearat (MeSt) und Ölsäure (OA) und drei monodisperse, nicht-ionische Alkoholethoxylate (C10E2, C10E5, C10E8) mit zunehmender Ethylenoxidmonomerzahl (EO) verwendet. Beide Gruppen sind gängige Hilfsstoffe der Formulierung von Agrochemikalien, die für die Aufnahmebeschleunigung des Wirkstoffs bekannt sind. Das aliphatische Blattwachs von Schefflera elegantissima wurde verwendet wie auch ein Modelwachs, dass die vier Hauptkomponenten dieses kutikulären Blattwachses enthielt. Permeabilitäts-, Transpirations- und Penetrationsstudien wurden unter Verwendung enzymatisch isolierter Kutikeln von Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus durchgeführt. 

Die kutikuläre Permeabilität gegenüber drei organischen Stoffen unterschiedlicher Lipophilie (Theobromin, Coffein und Azoxystrobin) wurde an isolierten Blattkutikeln der immergrünen Spezies Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus mittels des Zweikammersystems im steady-state Zustand gemessen. Die zyklische Wachsfraktion konnte mit Hilfe von Methanol aus den isolierten Membranen extrahiert werden und die Membranen wiesen keine Veränderung in der Permeabilität gegenüber den drei Wirkstoffen auf. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Anstieg der Permeabilität für alle Substanzen und Spezies beobachtet werden, nachdem die Membranen vollkommen mittels Chloroform entwachst wurden. Einzig und allein für Coffein und Membranen von G. xanthochymus konnte keine Veränderung des Leitwerts festgestellt werden, was auf einen Matrix-spezifischen Einfluss auf semi-hydrophile Substanzen zurückzuführen ist. Hydrophile Bereiche in der Kutikula können durch kristalline, aliphatische Wachse blockiert werden und sind somit unzugänglich für hydrophile Substanzen. 
Auf Basis dieses neu gewonnenen Wissens der kutikulären Diffusionsbarriere wurde der Einfluss der Adjuvantien auf das Phasenverhalten eines aliphatischen Wachses wie auch ihr Einfluss auf die kutikuläre Wirkstoffpenetration untersucht. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden verwendet, um das Phasenverhalten des Blattwachses von Schefflera elegantissima, ihres artifiziellen Modelwachses, das die vier Hauptkomponenten n-Nonacosan, n-Hentriacontan, 1-Triacontanol und 1-Dotriacontanol enthielt, und mögliche Weichmachereffekte durch Adjuvantien zu untersuchen. Mittels DSC konnten Schmelzbereiche, die zu niedrigeren Temperaturen verschobenen waren, und verringerte Beträge der Übergangsenthalpien (EOT) für alle Blattwachs-Adjuvantien-Mischungen bei 50 % Adjuvans-Zugabe (w/w) festgestellt werden. Die stärkste Abnahme wurde für C10E2 gefunden, gefolgt von MeO > OA und C10E8 > MeLin > MeSt. Die mittels FTIR bestimmte aliphatische Kristallinität war bei einem MeO-Anteil von 50 % signifikant gegenüber dem puren Blattwachs vermindert. Alle anderen Adjuvantien zeigten keine signifikanten Veränderungen der Kristallinität im Vergleich zum nativen Blattwachs. Es wird angenommen, dass das kutikuläre Wachs aus kristallinen und amorphen Bereichen aufgebaut ist: erstere umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffketten, letztere ihre Kettenenden und funktionellen Gruppen. Die Weichmacheradjuvantien können auf diese Bereiche mit einer Erhöhung der amorphen und/oder Erniedrigung der kristallinen Fraktion einwirken. Sie können mit ihrer aliphatischen Kette in die kristallinen Bereiche eindringen und diese erhöhen, wohingegen sich ihr hydrophilerer Kopf in der amorphen Phase verteilen kann. DSC und FTIR zeigten ähnliche Trends für das Pflanzen- und das Modelwachs in Kombination mit den Adjuvantien.
Im Allgemeinen wiesen die isolierten Kutikeln und Blattumschläge von P. laurocerasus und G. xanthochymus erhöhte Leitwerte in Verbindung mit den Adjuvantien auf. Da die Wachse nicht nur die Permeationsbarriere für Wirkstoffe, sondern auch für Wasser darstellen, wird angenommen, dass die Wachs-Adjuvans-Interaktion verantwortlich für die erhöhte Transpiration ist. Erhöhte Wirkstoffpenetration durch Adjuvantien wurde mittels des non-steady-state Versuchs der Simulation der Blattpenetration (SOFP) an isolierten, kutikulären Membranen von P. laurocerasus unter Verwendung von Koffein bei relativen Luftfeuchten (RH) von 30, 50 und 80 % nachgewiesen. Die Zunahme der Flussrate unter Verwendung von C10E5 und C10E8 war deutlich höher als für C10E2, jedoch unabhängig von der RH. Nur für C10E2 konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Luftfeuchte festgestellt werden. Die Rolle der molekularen Struktur der Adjuvantien in Bezug auf „Humectant“- und Weichmachereigenschaften wird diskutiert.
Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass die kutikuläre Permeationsbarriere mit den VLCAs und nicht mit der zyklischen Fraktion assoziiert ist und dass Adjuvantien wie Öle und Tenside diese Barriere strukturell beeinflussen können, was zu einer erhöhten Penetration führt. Außerdem veranschaulicht diese Arbeit, dass ein artifizielles Modelwachs die Wachs-Adjuvans-Interaktion eines Blattwachses imitieren kann und es gut geeignet für in-vitro Experimente ist, die in größerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. Screenings). Das liefert bedeutsames Wissen über die kutikuläre Barriere und ihre Modifikation zur Erhöhung der Wirkstoffpenetration, die wichtige Faktoren in Bezug auf die optimierte Wirkstoffformulierung in der Agrarchemie darstellen.
KW  - Adjuvans
KW  - Pflanzenschutzmittel
KW  - Kutikula
KW  - Adjuvant
KW  - Plant Protection
KW  - Plant cuticle
KW  - Diffusion
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-199375
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schlauersbach, Jonas
T1  - The bile-drug-excipient interplay
T1  - Das Galle-Arzneistoff-Hilfsstoff Wechselspiel
N2  - 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.
N2  - Das Gallensystem in Wirbeltieren ist ein evolutionär konserviertes endogenes Solubilisierungssystem für hydrophobe Fette und schwer wasserlösliche Vitamine. Ausgelöst durch Cholecystokinin wird Galle aus der Gallenblase durch den Hauptgallengang in den Zwölffingerdarm ausgeschüttet. Cholecystokinin wird zum Beispiel nach der Nahrungsaufnahme aus enteroendokrinen Zellen freigesetzt. Der Dünndarm ist auch der Ort, an dem viele oral verabreichte Arzneimittel aufgenommen werden. Die meisten neuen Arzneimittelkandidaten gehören zur Klasse der schlecht wasserlöslichen Arzneimittel (poorly water-soluble drugs: PWSDs). Galle kann auch wie bei hydrophoben Vitaminen die Löslichkeit von PWSDs verbessern. Daher ist dieses natürliche System von großem Interesse für Arzneimittelformulierungsstrategien. Simulierte Darmflüssigkeiten, die Gallensalze (z.B. Taurocholat TC) und Phospholipide (Lecithin L)  enthalten, wurden in den letzten Jahren häufig verwendet, um das Verhalten von PWSDs im Darm zu simulieren. Die Löslichkeitsverbesserung durch Galle kann die orale Absorption von PWSDs erhöhen, was ein möglicher Grund für den sogenannten positiven "Nahrungsmitteleffekt" darstellt. Auch die Auflösungsgeschwindigkeit von PWSD kann durch die Anwesenheit von Galle verbessert werden. Darüber hinaus profitieren einige PWSDs von der Stabilisierung der Übersättigung durch Gallensalze. Einige Hilfsstoffe, die die Löslichkeit von PWSDs stark erhöhten, schienen vielversprechende Kandidaten für die Arzneimittelformulierung zu sein, wenn sie in vitro ohne Galle untersucht wurden. In vivo getestet, verringerten diese Hilfsstoffe jedoch die Bioverfügbarkeit. Diese Beobachtungen wurden bisher kaum auf molekularer Ebene untersucht, und allgemeine Zusammenhänge zwischen der Interaktion mit der Galle in vitro und der Bioverfügbarkeit fehlen bisher. 
In dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel von PWSD, Hilfsstoffen und Galle auf molekularer Ebene untersucht, um Formulierungswissenschaftlern einen Entwurf für ein rationales Formulierungsdesign zu liefern, das die Wechselwirkung zwischen PWSD, Hilfsstoffen und Galle berücksichtigt. Das erste Kapitel befasst sich mit einem auf 1H-Kernspinresonanzspektroskopie (1H NMR) basierenden in-silico-Algorithmus zur Vorhersage von Wechselwirkungen zwischen Galle und Arzneimittel. Die Kapitel II bis IV zeigen die Auswirkungen von Hilfsstoffen auf die Bioverfügbarkeit von PWSDs, die mit der Galle interagieren. Schließlich haben wir in Kapitel V hilfreiche in-vitro-Methoden für die Auswahl von Hilfsstoffen in Arzneimittelformulierungen zusammengefasst, die die biopharmazeutische Solubilisierung nutzen. 
In Kapitel I werden 1H-NMR-Studien mit Galle und Arzneimitteln in großem Maßstab zur quantitativen Analyse der Struktur-Eigenschafts-Beziehung durchgeführt. 141 Arzneimittel wurden in simulierten Darmmedien mittels 1H-NMR untersucht. Die Aryl-Proton-Signalverschiebungen der Arzneimittel wurden mit in silico berechneten molekularen Deskriptoren korreliert. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Arzneimittel mit Galle interagiert, hing von seiner Polarisierbarkeit und Lipophilie ab, während die Interaktion mit Lipiden in simulierten Darmmedienkomponenten von der molekularen Symmetrie, Lipophilie, der Fähigkeit Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen, und der Aromatizität abhing. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Arzneimittel mit Galle interagiert, war prädiktiv für einen positiven Nahrungsmitteleffekt. Dieser Algorithmus könnte in Zukunft dabei helfen, ein mit Galle und Lipiden interagierendes Arzneimittel a priori zu identifizieren.
In Kapitel II wird der Einfluss von Hilfsstoffen auf die Galle und den Anteil des freien Arzneimittels untersucht. Es wurden drei verschiedene Interaktionsmuster für Hilfsstoffe beobachtet. Das erste Muster interagiert mit der Galle und bindet die Galle irreversibel. Dadurch erhöhte sich der Anteil des freien Wirkstoffs. Das zweite Muster von Hilfsstoffen bildete mit der Galle neue kolloidale Strukturen, die eine hohe Affinität zum Arzneimittel hatten. Diese Kolloide schlossen den Wirkstoff ein und verringerten den Anteil des freien Wirkstoffs. Das letzte Hilfsstoffmuster bildete supramolekulare Strukturen in Koexistenz mit der Galle und hatte keinen Einfluss auf den Anteil des freien Arzneistoffes. Diese Auswirkungen wurden nur bei Arzneimitteln beobachtet, die mit der Galle interagieren (Perphenazin und Imatinib). Der Anteil des freien Wirkstoffs Metoprolol, der nicht mit der Galle interagiert, wurde durch die Interaktion von Galle oder Galle/Hilfsstoff nicht beeinflusst. Wir stellten die Hypothese auf, dass Wechselwirkungen zwischen Galle und Hilfsstoffen die Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln, die mit der Galle interagieren, verringern können.
Kapitel III befasst sich mit der Hypothese aus Kapitel II. Eine pharmakokinetische Studie an Ratten ergab, dass die Absorption von Perphenazin durch mit der Galle interagierende Hilfsstoffe aufgrund einer Wechselwirkung zwischen Galle und Hilfsstoff verringert wurde. Die gleichzeitige Verabreichung der Hilfsstoffmuster I und II führte nicht zu einer weiteren Verringerung oder Erhöhung der Perphenazin-Resorption. Umgekehrt wurde die Absorption von Metoprolol durch die Hilfsstoffe nicht beeinträchtigt. Dies bestätigt die Hypothese, dass Arzneimittel, die mit Galle interagieren, nicht mit Hilfsstoffen formuliert werden sollten, die ebenfalls mit Galle interagieren.
In Kapitel IV wird näher erläutert, welche in-vitro-Methoden für das pharmakokinetische Profil eines Arzneimittels aussagekräftig sind. Das PWSD Naporafenib wurde in vitro mit simulierten Darmflüssigkeiten und in Gegenwart von Hilfsstoffen hinsichtlich Löslichkeit, Übersättigung und freiem Wirkstoffanteil analysiert. Naporafenib zeigte eine starke Wechselwirkung mit TC/L aus simulierter Galle. Bei Untersuchungen mit TC/L, aber nicht ohne TC/L, wurde ein Hilfsstoff als möglicherweise bioverfügbarkeitsvermindernd, ein Hilfsstoff als die Übersättigung destabilisierend und der letzte als nicht mit der Galle interagierender und die Übersättigung stabilisierender Hilfsstoff identifiziert. In einer pharmakokinetischen Studie an Beagle-Hunden wurden die in-vitro-Vorhersagen bestätigt. 
Der Anhang fasst die in den Kapiteln I bis IV vorgestellten in-vivo-Vorhersagemethoden zusammen und rationalisiert die Versuchsplanung, die den Weg für ein biopharmazeutisches Hilfsstoffscreening ebnet. Der vorgestellte vorläufige Entscheidungsbaum wird in eine Schritt-für-Schritt-Anleitung umgewandelt. Die vorgestellte Entscheidungsmatrix soll in den Prozess der frühen Phase der Entwicklung von Arzneimittelformulierungen implementiert werden können.
Zusammenfassend wird in dieser Arbeit beschrieben, wie ein Arzneimittel als Galle interagierend oder nicht interagierend definiert werden kann, und es wird ein Leitfaden für die Bewertung der Auswirkungen von Hilfsstoffen auf Galle gegeben. Wir haben in zwei In-vivo-Studien gezeigt, dass die Interaktion zwischen Galle und Hilfsstoff die Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen, die mit der Galle interagieren, verringert, während Arzneistoffe, die nicht mit der Galle interagieren, davon nicht betroffen waren. Wir wiesen darauf hin, dass das Solubilisierungssystem der Galle bei der Entwicklung von Arzneimittelformulierungen berücksichtigt werden muss. Simulierte gastrointestinale Flüssigkeiten bieten eine gut etablierte Plattform zur Untersuchung von Arzneistoffen und Hilfsstoffen in vivo. Die rationelle Umsetzung des biopharmazeutischen Screenings von Arzneimitteln und Hilfsstoffen führt daher zu einem wirksamen Formulierungsdesign von oralen, schwer wasserlöslichen Arzneistoffen.
KW  - Solubilisation
KW  - Pharmazeutischer Hilfsstoff
KW  - NMR-Spektroskopie
KW  - Bioverfügbarkeit
KW  - formulation development
KW  - Formulierungsentwicklung
KW  - in vitro/in vivo correlation
KW  - in vitro/in vivo Korrelation
KW  - molecular modeling
KW  - molekulares Modellieren
KW  - animal studies
KW  - Tierversuche
KW  - Galle
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296537
ER  - 
TY  - THES
A1  - Masota, Nelson Enos
T1  - The Search for Novel Effective Agents Against Multidrug-Resistant Enterobacteriaceae
T1  - Die Suche nach neuen wirksamen Wirkstoffen gegen multiresistente Enterobacteriaceae
N2  - This thesis aimed at searching for new effective agents against Multidrug-Resistant Enterobacteriaceae. This is necessitated by the urgent need for new and innovative antibacterial agents addressing the critical priority pathogens prescribed by the World Health Organization (WHO). Among the available means for antibiotics discovery and development, nature has long remained a proven, innovative, and highly reliable gateway to successful antibacterial agents. Nevertheless, numerous challenges surrounding this valuable source of antibiotics among other drugs are limiting the complete realization of its potential. These include the availability of good quality data on the highly potential natural sources, limitations in methods to prepare and screen crude extracts, bottlenecks in reproducing biological potentials observed in natural sources, as well as hurdles in isolation, purification, and characterization of natural compounds with diverse structural complexities.

Through an extensive review of the literature, it was possible to prepare libraries of plant species and phytochemicals with reported high potentials against Escherichia coli and Klebsiella pneumnoniae. The libraries were profiled to highlight the existing patterns and relationships between the reported antibacterial activities and studied plants’ families and parts, the type of the extracting solvent, as well as phytochemicals’ classes, drug-likeness and selected parameters for enhanced accumulation within the Gram-negative bacteria. In addition, motivations, objectives, the role of traditional practices and other crucial experimental aspects in the screening of plant extracts for antibacterial activities were identified and discussed.
Based on the implemented strict inclusion criteria, the created libraries grant speedy access to well-evaluated plant species and phytochemicals with potential antibacterial activities. This way, further studies in yet unexplored directions can be pursued from the indicated or related species and compounds. Moreover, the availability of compound libraries focusing on related bacterial species serves a great role in the ongoing efforts to develop the rules of antibiotics penetrability and accumulation, particularly among Gram-negative bacteria. Here, in addition to hunting for potential scaffolds from such libraries, detailed evaluations of large pool compounds with related antibacterial potential can grant a better understanding of structural features crucial for their penetration and accumulation. Based on the scarcity of compounds with broad structural diversity and activity against Gram-negative bacteria, the creation and updating of such libraries remain a laborious but important undertaking.

A Pressurized Microwave Assisted Extraction (PMAE) method over a short duration and low-temperature conditions was developed and compared to the conventional cold maceration over a prolonged duration. This method aimed at addressing the key challenges associated with conventional extraction methods which require long extraction durations, and use more energy and solvents, in addition to larger quantities of plant materials. Furthermore, the method was intended to replace the common use of high temperatures in most of the current MAE applications. Interestingly, the yields of 16 of 18 plant samples under PMAE over 30 minutes were found to be within  91–139% of those obtained from the 24h extraction by maceration. Additionally, different levels of selectivity were observed upon an analytical comparison of the extracts obtained from the two methods. Although each method indicated selective extraction of higher quantities or additional types of certain phytochemicals, a slightly larger number of additional compounds were observed under maceration. The use of this method allows efficient extraction of a large number of samples while sparing heat-sensitive compounds and minimizing chances for cross-reactions between phytochemicals.

Moreover, findings from another investigation highlighted the low likelihood of reproducing antibacterial activities previously reported among various plant species, identified the key drivers of poor reproducibility, and proposed possible measures to mitigate the challenge. The majority of extracts showed no activities up to the highest tested concentration of 1024 µg/mL. In the case of identical plant species, some activities were observed only in 15% of the extracts, in which the Minimum Inhibitory Concentrations (MICs) were 4 – 16-fold higher than those in previous reports. Evaluation of related plant species indicated better outcomes, whereby about 18% of the extracts showed activities in a range of 128–512 μg/mL, some of the activities being superior to those previously reported in related species.
Furthermore, solubilizing plant crude extracts during the preparation of test solutions for Antibacterial Susceptibility Testing (AST) assays was outlined as a key challenge. In trying to address this challenge, some studies have used bacteria-toxic solvents or generally unacceptable concentrations of common solubilizing agents. Both approaches are liable to give false positive results. In line with this challenge, this study has underscored the suitability of acetone in the solubilization of crude plant extracts. Using acetone, better solubility profiles of crude plant extracts were observed compared to dimethyl sulfoxide (DMSO) at up to 10 %v/v. Based on lacking toxicity against many bacteria species at up to 25 %v/v, its use in the solubilization of poorly water-soluble extracts, particularly those from less polar solvents is advocated.

In a subsequent study, four galloylglucoses were isolated from the leaves of Paeonia officinalis L., whereby the isolation of three of them from this source was reported for the first time. The isolation and characterization of these compounds were driven by the crucial need to continually fill the pre-clinical antibiotics pipeline using all available means. Application of the bioautography-guided isolation and a matrix of extractive, chromatographic, spectroscopic, and spectrometric techniques enabled the isolation of the compounds at high purity levels and the ascertainment of their chemical structures. 
Further, the compounds exhibited the Minimum Inhibitory Concentrations (MIC) in a range of 2–256 µg/mL against Multidrug-Resistant (MDR) strains of E. coli and K. pneumonia exhibiting diverse MDR phenotypes.  In that, the antibacterial activities of three of the isolated compounds were reported for the first time. The observed in vitro activities of the compounds resonated with their in vivo potentials as determined using the Galleria mellonella larvae model. Additionally, the susceptibility of the MDR bacteria to the galloylglucoses was noted to vary depending on the nature of the resistance enzymes expressed by the MDR bacteria. In that, the bacteria expressing enzymes with higher content of aromatic amino acids and zero or positive net charges were generally more susceptible. Following these findings, a plausible hypothesis for the observed patterns was put forward.
The generally challenging pharmacokinetic properties of galloylglucoses limit their further development into therapeutic agents. However, the compounds can replace or reduce the use of antibiotics in livestock keeping as well as in the treatment of septic wounds and topical or oral cavity infections, among other potential uses. 

Using nature-inspired approaches, a series of glucovanillin derivatives were prepared following feasible synthetic pathways which in most cases ensured good yields and high purity levels. Some of the prepared compounds showed MIC values in a range of 128 – 512 μg/mL against susceptible and MDR strains of Klebsiella pneumoniae, Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Vancomycin-Resistant Enterococcus faecium (VRE).  These findings emphasize the previously reported essence of small molecular size, the presence of protonatable amino groups and halogen atoms, as well as an amphiphilic character, as crucial features for potential antibacterial agents.
Due to the experienced limited success in the search for new antibacterial agents using purely synthetic means, pursuing semi-synthetic approaches as employed in this study are highly encouraged. This way, it is possible to explore broader chemical spaces around natural scaffolds while addressing their inherent limitations such as solubility, toxicity, and poor pharmacokinetic profiles.
N2  - Ziel dieser Arbeit war die Suche nach neuen wirksamen Antiinfektiva gegen multiresistente Enterobacteriaceae. Grund dafür ist der dringende Bedarf an neuen und innovativen antibakteriellen Wirkstoffen gegen die von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als vorrangig eingestuften Krankheitserreger. Unter den verfügbaren Methoden zur Entdeckung und Entwicklung von Antibiotika ist die Natur seit langem ein bewährtes, innovatives und äußerst zuverlässiges Mittel, um erfolgreich zu antibakteriellen Wirkstoffen zu gelangen. Dennoch stehen dieser wertvollen Quelle von Antibiotika und anderen Arzneimitteln zahlreiche Herausforderungen gegenüber, die die vollständige Ausschöpfung ihres Potenzials einschränken. Dazu gehören die Verfügbarkeit qualitativ hochwertiger Daten über die hochpotenten natürlichen Quellen, Einschränkungen bei den Methoden zur Herstellung und zum Screening von Rohextrakten, Engpässe bei der Reproduktion des in natürlichen Quellen beobachteten biologischen Potenzials sowie Hürden bei der Isolierung, Reinigung und Charakterisierung von Naturstoffen mit unterschiedlicher struktureller Komplexität.

Mittels einer umfassenden Durchsicht der Literatur war es möglich, Bibliotheken mit Pflanzenarten und Phytochemikalien zu erstellen, die ein hohes Potenzial gegen Escherichia coli und Klebsiella pneumnonia aufweisen. Die Bibliotheken wurden profiliert, um die bestehenden Muster und Beziehungen zwischen den berichteten antibakteriellen Aktivitäten und den untersuchten Pflanzenfamilien und -teilen, der Art des Extraktionslösungsmittels sowie den Klassen der Phytochemikalien, der Wirkstoffähnlichkeit und ausgewählten Parametern für eine verstärkte Akkumulation in den gramnegativen Bakterien aufzuzeigen. Darüber hinaus wurden Motivationen, Ziele, die Rolle traditioneller Methoden und andere wichtige experimentelle Aspekte beim Screening von Pflanzenextrakten auf antibakterielle Aktivitäten identifiziert und diskutiert.
Auf der Grundlage der strengen Aufnahmekriterien bieten die erstellten Bibliotheken einen schnellen Zugang zu gut bewerteten Pflanzenarten und Phytochemikalien mit potenziellen antibakteriellen Aktivitäten. Auf diese Weise können weitere Studien in noch unerforschten Richtungen mit den angegebenen oder ähnlichen Arten und Verbindungen durchgeführt werden. Darüber hinaus spielt die Verfügbarkeit von Substanzbibliotheken, die sich auf verwandte Bakterienarten konzentrieren, eine große Rolle bei den laufenden Bemühungen, die Regeln für die Penetration und Akkumulation von Antibiotika zu entwickeln, insbesondere bei gramnegativen Bakterien. Neben der Suche nach potenziellen Molekülgerüsten aus solchen Bibliotheken können detaillierte Bewertungen großer Pools von Verbindungen mit antibakteriellem Potenzial ein besseres Verständnis der strukturellen Merkmale ermöglichen, die für ihre Penetration und Akkumulation entscheidend sind. Da es kaum Verbindungen mit breiter struktureller Vielfalt und Aktivität gegen gramnegative Bakterien gibt, ist die Erstellung und Aktualisierung solcher Bibliotheken nach wie vor ein mühsames, aber wichtiges Unterfangen.

Es wurde eine schnelle mikrowellenunterstützte Extraktionsmethode unter Druck (PMAE) und bei niedrigen Temperaturen entwickelt und mit der herkömmlichen Kaltmazeration mit längerer andauernd verglichen. Mit der PMAE-Methode sollten die wichtigsten Probleme herkömmlicher Extraktionsmethoden gelöst werden, die eine lange Extraktionsdauer erfordern, mehr Energie und Lösungsmittel verbrauchen und zudem größere Mengen an Pflanzenmaterial benötigen. Darüber hinaus sollte die Methode die übliche Verwendung hoher Temperaturen in den meisten der derzeitigen MAE-Anwendungen ersetzen. Interessanterweise lag die Ausbeute von 16 der 18 Pflanzenproben bei der 30-minütigen PMAE zwischen 91 und 139 % der jenigen, die bei der 24-stündigen Extraktion durch Mazeration erzielt wurde. Darüber hinaus wurden bei einem analytischen Vergleich der mit den beiden Methoden gewonnenen Extrakte unterschiedliche Selektivitätsgrade festgestellt. Obwohl jede Methode eine selektive Extraktion größere Mengen oder zusätzlicher Arten bestimmter Phytochemikalien anzeigte, wurde bei der Mazeration eine etwas größere Anzahl an Verbindungen beobachtet. Die Anwendung dieser PMAE-Methode ermöglicht eine effiziente Extraktion einer großen Anzahl von Proben, wobei hitzeempfindliche Verbindungen geschont werden und die Wahrscheinlichkeit von Kreuzreaktionen zwischen Phytochemikalien minimiert wird.

Die weitere Untersuchung von Pflanzenextraktionen haben die geringe Reproduzierbarkeit von antibakteriellen Aktivitäten, die zuvor für verschiedene Pflanzenarten berichtet wurden, aufgedeckt, die Hauptursachen für die schlechte Reproduzierbarkeit identifiziert und mögliche Maßnahmen zur Minimierung dieser Herausforderung vorgeschlagen. Die Mehrheit der Extrakte zeigte bis zur höchsten getesteten Konzentration von 1024 µg/ml keine Aktivitäten. Bei identischen Pflanzenarten wurden nur bei 15 % der Extrakte gewisse Aktivitäten beobachtet, wobei die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) um das Vier- bis 16-fache höher waren als in früheren Berichten. Die Auswertung verwandter Pflanzenarten zeigte geringfügig bessere Ergebnisse, wobei etwa lagen 18 % der Extrakte Aktivitäten in einem Bereich von 128-512 µg/ml aufwiesen; dabei einige der Aktivitäten über denen, die zuvor bei verwandten Arten berichtet wurden.
Darüber hinaus wurde die Löslichkeit von Pflanzenrohextrakten bei der Herstellung von Testlösungen für die Bestimmung der Antimikrobischen Suszeptibilität (AST) als eine der größten Herausforderungen bezeichnet. Bei dem Versuch, diese Herausforderung zu bewältigen, wurden in einigen Studien bakterientoxische Lösungsmittel oder allgemein inakzeptable Konzentrationen gängiger Lösungsvermittler verwendet. Beide Ansätze können zu falsch-positiven Ergebnissen führen. Deshalb hat diese Studie die Eignung von Aceton für die Solubilisierung von Pflanzenrohextrakten unterstrichen. Bei Verwendung von Aceton wurden eine bessere Löslichkeit der Pflanzenrohextrakten im Vergleich zu Dimethylsulfoxid (DMSO) bei bis zu 10 % v/v beobachtet. Aufgrund der fehlenden Toxizität gegen viele Bakterienarten bei bis zu 25 % v/v wird die Verwendung von Aceton für die Solubilisierung schwer wasserlöslicher Extrakte, insbesondere solcher aus weniger polaren Lösungsmitteln, befürwortet.
In der nachfolgenden Untersuchung wurden vier Galloylglucosen aus den Blättern von Paeonia officinalis L. isoliert, wobei von drei Substanzen aus dieser Quelle zum ersten Mal berichtet wurde. Die Isolierung und Charakterisierung dieser Verbindungen wurden durch die dringende Notwendigkeit vorangetrieben, die präklinische Antibiotika-Pipeline mit allen verfügbaren Methoden zu füllen. Die Anwendung der bioautographisch gesteuerten Isolierung und einer Matrix aus extraktiven, chromatographischen, spektroskopischen und spektrometrischen Techniken ermöglichte die Isolierung der Verbindungen mit hohem Reinheitsgrad und die Bestimmung ihrer chemischen Strukturen. 
Darüber hinaus wiesen die Verbindungen minimale Hemmkonzentrationen (MHK) in einem Bereich von 2-256 µg/ml gegen multiresistente (MDR) Stämme von E. coli und K. pneumonia auf, die verschiedene MDR-Phänotypen aufweisen. Über die antibakteriellen Aktivitäten von drei der isolierten Verbindungen wurde zum ersten Mal berichtet. Die beobachteten In-vitro-Aktivitäten der Verbindungen stimmten mit ihren In-vivo-Potenzialen überein, die anhand des Galleria mellonella-Larvenmodells ermittelt wurden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Empfindlichkeit der MDR-Bakterien gegenüber den Galloylglucosen von der Art der von den MDR-Bakterien exprimierten Resistenzenzyme abhängt. So waren die Bakterien, die Enzyme mit einem höheren Gehalt an aromatischen Aminosäuren und null oder positiven Nettoladungen exprimieren, im Allgemeinen anfälliger. Nach diesen Erkenntnissen wurde eine plausible Hypothese für die beobachteten Muster aufgestellt.
Die allgemein schwierigen pharmakokinetischen Eigenschaften von Galloylglucosen schränken ihre weitere Entwicklung als therapeutischen Wirkstoffen ein. Die Verbindungen können jedoch den Einsatz von Antibiotika in der Tierhaltung sowie bei der Behandlung von septischen Wunden und Infektionen der Haut oder der Mundhöhle ersetzen oder reduzieren, neben anderen potenziellen Anwendungen. 

Mit von der Natur inspirierten Ansätzen wurde eine Reihe von Glucovanillin-Derivaten synthetisch hergestellt. Einige der neuen Verbindungen wiesen MHK-Werte im Bereich von 128 - 512 μg/ml gegen empfindliche und MDR-Stämme von Klebsiella pneumoniae, Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA) und Vancomycin-resistentem Enterococcus faecium (VRE) auf.  Diese Ergebnisse unterstreichen die bereits früher berichtete Bedeutung einer kleinen Molekülgröße, des Vorhandenseins protonierbarer Aminogruppen und Halogenatome sowie eines amphiphilen Charakters als entscheidende Merkmale für potenzielle antibakterielle Wirkstoffe.
Da die Suche nach neuen antibakteriellen Wirkstoffen mit rein synthetischen Mitteln bisher nur begrenzt erfolgreich war, sind halbsynthetische Ansätze, wie sie in dieser Studie verwendet wurden, sehr zu empfehlen. Auf diese Weise ist es möglich, größere chemische Räume um natürliche Molekülgerüste herum zu erforschen und gleichzeitig deren inhärente Einschränkungen wie Löslichkeit, Toxizität und schlechte pharmakokinetische Profile zu überwinden.
KW  - Enterobacteriaceae
KW  - Pflanzen
KW  - Synthese
KW  - Multidrugresistant
KW  - Plant extracts
KW  - Isolation and Characterization
KW  - Microwave Assisted Extraction
KW  - Nature-Insipired Synthesis
KW  - Reproducibility challenges
KW  - Library of Phytochemicals
KW  - Library of plant species
KW  - Plants
KW  - Characterization
KW  - Synthesis
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-302632
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hauptstein, Niklas
T1  - Site directed molecular design and performances of Interferon-α2a and Interleukin-4 bioconjugates with PEG alternative polymers
T1  - Seitenspezifisches molekulares Design und Eigenschaften von Interferon-α2a und Interleukin-4 Biokonjugaten mit PEG alternativen Polymeren
N2  - Serum half-life elongation as well as the immobilization of small proteins like cytokines is still one of the key challenges for biologics. This accounts also for cytokines, which often have a molecular weight between 5 and 40 kDa and are therefore prone to elimination by renal filtration and sinusoidal lining cells. To solve this problem biologics are often conjugated to poly(ethylene glycol) (PEG), which is the gold standard for the so called PEGylation. PEG is a synthetic, non-biodegradable polymer for increasing the hydrodynamic radius of the conjugated protein to modulate their pharmacokinetic performance and prolong their therapeutic outcome. Though the benefits of PEGylation are significant, they also come with a prize, which is a loss in bioactivity due to steric hindrance and most often the usage of heterogeneous bioconjugation chemistries. While PEG is a safe excipient in most cases, an increasing number of PEG related side-effects, such as immunological responses like hypersensitivity and accelerated blood clearance upon repetitive exposure occur, which highlights the need for PEG alternative polymers, that can replace PEG in such cases.
Another promising method to significantly prolong the residence time of biologics is to immobilize them at a desired location. To achieve this, the transglutaminase (TG) Factor XIIIa (FXIIIa), which is an important human enzyme during blood coagulation can be used. FXIIIa can recognize specific peptide sequences that contain a lysine as substrates and link them covalently to another peptide sequence, that contains a glutamine, forming an isopeptide bond. This mechanism can be used to link modified proteins, which have a N- or C-terminal incorporated signal peptide by mutation, to the extracellular matrix (ECM) of tissues.
Additionally, both above-described methods can be combined. By artificially introducing a TG recognition sequence, it is possible to attach an azide group containing peptide site-specifically to the TG, recognition sequence. This allows the creation of a site-selective reactive site at the proteins N- or C-terminus, which can then be targeted by cyclooctyne functionalized polymers, just like amber codon functionalized proteins.
This thesis has focused on the two cytokines human Interferon-α2a (IFN-α2a) and human, as well as murine Interleukin-4 (IL-4) as model proteins to investigate the above-described challenges. IFN-α2a has been chosen as a model protein because it is an approved drug since 1986 in systemic applications against some viral infections, as well as several types of cancer. Furthermore, IFN-α2 is also approved in three PEGylated forms, which have different molecular weights and use different conjugation techniques for polymer attachment. This turns it into an ideal candidate to compare new polymers against the gold standard PEG. Interleukin-4 (IL-4) has been chosen as the second model protein due to its similar size and biopotency. This allows to compare found trends from IFN-α2a with another bioconjugate platform and distinguish between IFN-α2a specific, or general trends. Furthermore, IL-4 is a promising candidate for clinical applications as it is a potent anti-inflammatory protein, which polarizes macrophages from the pro-inflammatory M1 state into the anti-inflammatory M2 state.
N2  - Die Verlängerung der Serum-Halbwertszeit sowie die Immobilisierung kleiner Proteine wie Zytokine ist nach wie vor eine der größten Herausforderungen für Biologika. Dies gilt auch für Zytokine, die häufig ein Molekulargewicht zwischen 5 und 40 kDa haben und daher leicht durch die Nierenfiltration und sinusoidale Endothelzellen eliminiert werden können. Um dieses Problem zu lösen, werden Biologika häufig an Poly(ethylenglykol) (PEG) konjugiert, das den Goldstandard für die so genannte PEGylierung darstellt. PEG ist ein synthetisches, biologisch nicht abbaubares Polymer, das den hydrodynamischen Radius des konjugierten Proteins vergrößert, um die pharmakokinetische Leistung zu modulieren und die therapeutische Wirkung zu verlängern. Obwohl die Vorteile der PEGylierung beträchtlich sind, haben sie auch ihren Preis, nämlich einen Verlust an Bioaktivität aufgrund sterischer Hindernisse und meist die Verwendung heterogener Biokonjugationstechniken. Obwohl PEG in den meisten Fällen ein sicherer Hilfsstoff ist, treten immer mehr PEG-bedingte Nebenwirkungen auf, wie z. B. immunologische Reaktionen wie Überempfindlichkeit und beschleunigter Abbau bei wiederholter Exposition, was den Bedarf an alternativen PEG-Polymeren unterstreicht, die PEG in solchen Fällen ersetzen können.
Eine weitere vielversprechende Methode, um die Verweildauer von Biologika deutlich zu verlängern, besteht darin, sie an einem gewünschten Ort zu immobilisieren. Dazu kann die Transglutaminase (TG) Faktor XIIIa (FXIIIa) verwendet werden, die ein wichtiges menschliches Enzym bei der Blutgerinnung ist. FXIIIa kann bestimmte Peptidsequenzen, die ein Lysin enthalten, als Substrate erkennen und sie kovalent an eine andere Peptidsequenz, die ein Glutamin enthält, binden, wobei eine Isopeptidbindung entsteht.
Dieser Mechanismus kann benutzt werden um modifizierte Proteine, welche durch Mutation ein N- oder C-terminal eingebautes Signalpeptid besitzen, mit der extrazellularen Gewebematrix (ECM) zu verknüpfen.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die beiden Zytokine humanes Interferon-α2a (IFN-α2a) und humanes sowie murines Interleukin-4 (IL-4) als Modellproteine, um die oben beschriebenen Herausforderungen zu untersuchen. IFN-α2a wurde als Modellprotein ausgewählt, weil es seit 1986 ein zugelassenes Medikament für die systemische Anwendung gegen einige Virusinfektionen und verschiedene Krebsarten ist. Darüber hinaus ist IFN-α2 auch in drei PEGylierten Formen zugelassen, die unterschiedliche Molekulargewichte haben und verschiedene Konjugationstechniken für die Polymeranbindung verwenden. Dies macht es zu einem idealen Kandidaten für den Vergleich neuer Polymere mit dem Goldstandard PEG. Interleukin-4 (IL-4) wurde als zweites Modellprotein gewählt, da es eine ähnliche Größe und Biopotenz aufweist. Dies ermöglicht es, die von IFN-α2a gefundenen Trends mit einer anderen Biokonjugat-Plattform zu vergleichen und zwischen IFN-α2a-spezifischen und allgemeinen Trends zu unterscheiden. Darüber hinaus ist IL-4 ein vielversprechender Kandidat für klinische Anwendungen, da es ein starkes entzündungshemmendes Protein ist, das Makrophagen vom entzündungsfördernden M1-Zustand in den entzündungshemmenden M2-Zustand polarisiert.
KW  - Cytokine
KW  - Interferon <alpha-2a->
KW  - Konjugation
KW  - Polymere
KW  - Interleukin 4
KW  - Bioconjugate
KW  - Polyglycerol
KW  - poly(2-ethyl-2-oxazoline)
KW  - Polyethylenglykole
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296911
ER  - 
TY  - THES
A1  - Werthmüller, Dominic Pascal
T1  - Relevance of bioaccessibility for the oral bioavailability of poorly water-soluble drugs
T1  - Relevanz der Biozugänglichkeit für die orale Bioverfügbarkeit von schlecht wasserlöslichen Substanzen
N2  - Poor or variable oral bioavailability is of major concern regarding safety and efficacy for the treatment of patients with poorly water-soluble drugs (PWSDs). The problem statement of this work involves a pharmaceutical development perspective, the physicochemical basis of the absorption process and physiological / biopharmaceutical aspects. A methodology was developed aiming at closing the gap between drug liberation and dissolution on the one hand and the appearance of drug in the blood on the other. Considering what is out of control from a formulation development perspective, a clear differentiation between bioavailability and bioaccessibility was necessary. Focusing on the absorption process, bioaccessibility of a model compound, a poorly soluble but well permeable weak base, was characterized by means of flux across artificial biomimetic membranes. Such setups can be considered to reasonably mimic relevant oral absorption resistances in vitro in terms of diffusion through an unstirred water layer (UWL) and a lipidic barrier. Mechanistic understanding of the driving force for permeation was gained by differentiating drug species and subsequently linking them to the observed transfer rates using a bioaccessibility concept. The three key species that need to be differentiated are molecularly dissolved drug, drug associated in solution with other components (liquid reservoir) and undissolved drug (solid reservoir). An innovative approach to differentiate molecularly dissolved drug from the liquid reservoir using ultracentrifugation in combination with dynamic light scattering as control is presented. A guidance for rational formulation development of PWSDs is elaborated based on the employed model compound. It is structured into five guiding questions to help drug formulation scientists in selecting drug form, excipients and eventually the formulation principle. Overall, the relevance but also limitations of characterizing bioaccessibility were outlined with respect to practical application e.g. in early drug formulation development.
N2  - Eine geringe und variable orale Bioverfügbarkeit gibt Anlass zu grosser Besorgnis hinsichtlich Sicherheit und Wirksamkeit einer Behandlung von Patienten mit schwer wasserlöslichen Arzneimitteln. Die Problemstellung dieser Arbeit umfasst eine pharmazeutische Entwicklungsperspektive, die physikalisch-chemischen Grundlagen des Absorptionsprozesses und physiologische / biopharmazeutische Aspekte. Es wurde eine Methodik entwickelt, die darauf abzielt, die Lücke zwischen der Wirkstofffreisetzung und -auflösung einerseits und dem Auftreten des Wirkstoffs im Blut andererseits zu schließen. Angesichts dessen, was aus Sicht der Formulierungsentwicklung nicht beeinflusst werden kann, war eine klare Unterscheidung zwischen Bioverfügbarkeit und Biozugänglichkeit notwendig. Mit Fokus auf den Absorptionsprozess wurde die Biozugänglichkeit eines Modellwirkstoffes, einer schlecht löslichen aber gut permeablen schwachen Base, mittels Massentransportexperimente durch künstliche biomimetische Membranen charakterisiert. Es kann davon ausgegangen werden, dass solche Anordnungen relevante orale Absorptionswiderstände hinsichtlich der Diffusion durch eine ungerührte Wasserschicht und eine Lipidbarriere in vitro nachahmen. Durch die Differenzierung der Wirkstoffspezies und die anschliessende Verknüpfung mit den beobachteten Transportraten mittels eines Biozugänglichkeitskonzepts wurde ein mechanistisches Verständnis der treibenden Kraft für die Permeation gewonnen. Die drei Schlüsselspezies, die unterschieden werden müssen, sind molekular gelöste Substanz, in Lösung mit anderen Bestandteilen assoziierte Substanz (flüssiges Reservoir) und ungelöste Substanz (festes Reservoir). Ein innovativer Ansatz zur Differenzierung zwischen molekular gelöstem Wirkstoff und Substanz in dem Flüssigkeitsreservoir unter Verwendung von Ultrazentrifugation in Kombination mit dynamischer Lichtstreuung als Kontrolle wird vorgestellt. Basierend auf dem verwendeten Modellwirkstoff wird eine Anleitung zur rationalen Formulierungsentwicklung von schlecht wasserlöslichen Arzneistoffen ausgearbeitet. Diese ist in fünf Leitfragen gegliedert, um Wissenschaftlern bei der Arzneimittelformulierung bei der Auswahl der Arzneimittelform, der Hilfsstoffe und schließlich des Formulierungsprinzips zu helfen. Insgesamt wurde die Relevanz, aber auch Grenzen der Charakterisierung der Biozugänglichkeit im Hinblick auf die praktische Anwendung z.B. in der frühen Entwicklung von Arzneimittelformulierungen aufgezeigt.
KW  - Poorly water-soluble drug
KW  - Bioaccessibility
KW  - Supersaturation
KW  - Drug form selection
KW  - Excipient selection
KW  - Flux
KW  - Bioverfügbarkeit
KW  - Formulierung
KW  - Bioavailability
KW  - Pharmacokinetic
KW  - Formulation
KW  - Phase separation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-299200
ER  - 
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 <Sekret>
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  - Terveer, Nils
T1  - Springs and Parachutes - Development and Characterization of Novel Formulations for Poorly Water-Soluble Drugs
T1  - Sprungfedern und Fallschirme - Entwicklung und Charakterisierung neuer Formulierungen für schlecht wasserlösliche Wirkstoffe
N2  - Successful formulation development of novel, particularly organic APIs of low molecular weight as candidates for ground-breaking pharmaceutical products is a major challenge for the pharmaceutical industry because of the poor aqueous solubility of most of these compounds.
The hit identification strategies of drug development in use today apply high throughput screening techniques for the investigation of thousands of substances. This approach led to a systematical increase in molecular weight and lipophilicity and a decrease of water solubility of lead compounds reaching market access.
The high lipophilicity causes an excellent permeability of the compounds which favours the absorption process from the small intestine, but it causes a decrease of water-solubility. It becomes evident that an adequate aqueous solubility is necessary for absorption of the API from the gastrointestinal fluids into the systemic circulation and hence for efficacy of the pharmaceutical product. Only an dissolved API is getting absorbed and becomes efficacious. The precipitated proportion is resigned directly. Therefore, the development of an individual formulation aligning the physicochemical characteristics is necessary for every API to produce supersaturated solutions in the small intestine and to reach an adequate bioavailability after absorption into the systemic circulation.
In this thesis a specific formulation development was investigated for two exemplary poorly water-soluble APIs to replace the empirical approach often used today. The basic tyrosine-kinase inhibitor imatinib and six different acetylated amino acids were transferred into ILs. As compared to the free base and the mesylate salt, which is marketed by Novartis AG as Gleevec®, the dissolution rate as well as the supersaturation time was increased significantly. By changing the mesylate anion with its potential genotoxic risks, the total toxicity of the drug product could be decreased. The amorphous ILs proved adequate stability under forcing conditions and there was no recrystallization of the free base observed. The amorphous character of the ILs caused an increased amount of water vapour sorption which can be compensated by special packaging materials. Taken together, the presentation of imatinib as an IL is intended for oral administration as a tablet and can cause a reduction of dose because of the increased solubility. Therefore, the occurrence of side effects can be reduced as compared to Gleevec®. If there is actually an increased bioavailability to observe, has to be proved by the execution of animal trials.
The novel NOX inhibitor VAS3947 is intended for the treatment of endothelial dysfunctions causing diseases like heart failure and stroke. The compounds poor aqueous solubility hindered further clinical development so far and make the drug candidate to remain in a very early stage of the drug development process. Therefore, different formulation concepts were evaluated in this study:
An amorphous solid dispersion prepared from VAS3947 and Eudragit® L100 by means of spray drying was able to increase the dissolution rate and solubility of the compound significantly, but with the accomplished kinetic solubility being in the low µM range it is not possible to reach therapeutic plasma concentrations.
In contrast, the incorporation into cyclodextrins resulted in an 760-fold increased solubility. Different cyclodextrins were evaluated. Especially the lipophilic derivatives of the β-cyclodextrin showed to be the most adequate excipients. The incorporation of the API into the cyclodextrin cavity was proved by means of NMR spectroscopy. Additionally, a formulation of VAS3947 and hydroxypropyl-β-cyclodextrin was prepared. This formulation is intended for the intravenous application during animal trials, which have to be conducted to get to know the pharmacokinetics of VAS3947. This formulation reached a concentration of 1 mg/mL spending striking protection of VAS3947 against degradation.
Presentation of VAS3947 as a microemulsion system led also to increase the aqueous solubility of the compound, but not in the same extent as the cyclodextrin formulation. Beside the formulation development a physicochemical characterization was performed to get to know important parameters such as log P and pKa values of VAS3947. An HPLC method was developed and validated to analyse the extent of solubility improvement.
 

A major issue of the compound VAS3947 and all related triazolopyrimidine derivatives, developed by Vasopharm GmbH, is the insufficient chemical stability because of presence of a hemiaminal moiety in the chemical structure. Stability investigations and an extensive biopharmaceutical characterization confirm the hindering of further clinical development by insufficient drug stability and high cytotoxicity. Poor aqueous solubility is an additional disadvantage which can be handled by a concerted formulation development.
N2  - Die erfolgreiche Formulierung von neuen, insbesondere organischen Wirkstoffen geringen Molekulargewichtes als Entwicklungskandidaten für innovative Arzneimittel stellt eine erhebliche Herausforderung für die pharmazeutische Industrie dar, weil ein Großteil dieser Substanzen ausgesprochen schlecht wasserlöslich ist.
Die moderne Wirkstoffentwicklung basiert meistens auf der Zielstruktur und erfolgt unter Anwendung von Hochdurchsatzmethoden, bei denen Tausende an verschiedenen Substanzen getestet werden. Dieses Vorgehen hat in den letzten Jahrzehnten dazu geführt, dass die molare Masse und die Lipohilie derjenigen Entwicklungskandidaten, die eine Zulassung als Arzneimittel erreicht haben, kontinuierlich zugenommen haben. Durch die hohe Lipophilie weisen diese Wirkstoffe eine ausgezeichnete Permeabilität auf, die für den Absorptionsprozess aus dem Magen-Darm-Trakt notwendig ist. Jedoch geht damit gleichzeitig eine Abnahme der Wasserlöslichkeit einher. Es ist offensichtlich, dass eine ausreichendende hohe Wasserlöslichkeit die Grundvoraussetzung für die Absorption des Wirkstoffes aus dem Gastrointestinaltrakt in den systemischen Kreislauf und damit für die Wirksamkeit des Arzneimittels darstellt. Nur in Lösung befindlicher Wirkstoff kann absorbiert werden und seine Wirkung erzielen. Der ungelöste Anteil wird unverändert wieder ausgeschieden.
Aus diesem Grunde ist die Entwicklung einer individuellen, an die physiko-chemischen Eigenschaften angepassten Formulierung für jeden Wirkstoff unbedingt erforderlich, um im Magen-Darm-Trakt übersättigte Lösungen zu generieren und dadurch eine ausreichende Bioverfügbarkeit zu erzielen.
In dieser Arbeit wurden exemplarisch zwei schlecht lösliche Wirkstoffe ausgesucht und einer gezielten Formulierungsentwicklung unterzogen, um die bisher oft angewandte rein empirische Vorgehensweise abzulösen.
Aus dem basischen Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib und unterschiedlichen acetylierten Aminosäuren wurden 6 verschiedene ionische Flüssigkeiten hergestellt. Im Vergleich mit der freien Base und dem Mesilat-Salz, welches die Firma Novartis AG unter dem Namen Gleevec® im Handel hat, wurden sowohl die Auflösungsrate als auch die zeitliche Dauer der Übersättigung signifikant vergrößert. Durch den Austausch des potentiell genotoxischen Mesilat-Anions gegen die acetylierten Aminosäuren konnte zusätzlich das Toxizitätsrisiko gesenkt werden. Die amorphen Formulierungen der ionische Flüssigkeiten waren unter Stressbedingungen ausreichend stabil und zeigten kein erhöhtes Risiko für eine Rekristallisation der freien Base. Die durch den amorphen Charakter gesteigerte Hygroskopizität lässt sich durch den Einsatz entsprechender Packmittel kompensieren. Generell eignet sich die Formulierung von Imatinib als ionische Flüssigkeit für die orale Applikation als Tablette und kann durch die Verbesserung der Wasserlöslichkeit zu einer Dosisreduktion beitragen, sodass weniger Nebenwirkungen auftreten als bei dem im Handel befindlichen Mesilat-Salz. Ob tatsächlich eine Verbesserung der Bioverfügbarkeit eintritt, muss noch durch Experimente im Tiermodell bestätigt werden.
Der neuartige NOX-Inhibitor VAS3947 ist zur Behandlung von arteriosklerotischen Veränderungen im Gefäßendothel und damit allen verbunden Folgeerkrankungen wie zum Beispiel Herzinfarkt oder Schlaganfall von der Vasopharm GmbH entwickelt worden. Die extrem schlechte Wasserlöslichkeit hat bisher die klinische Forschung verhindert und der Wirkstoff befindet sich nach wie vor in einer sehr frühen Phase der Entwicklung. Aus diesem Grund wurden im Zuge dieser Arbeit verschiedene Formulierungskonzepte erforscht:
Eine erste sprühgetrocknete, amorphe Formulierung mit dem Polymer Eudragit® L100 konnte zwar die Auflösungsrate und die Löslichkeit signifikant verbessern, allerdings kam es schnell zur Rekristallisation des Wirkstoffes und mit der erzielten kinetischen Löslichkeit im niedrigen µM Bereich ließen sich keine therapeutischen Plasmaspiegel erreichen.
Durch die Herstellung einer Cyclodextrineinschlussverbindung von VAS3947 hingegen konnte die Löslichkeit um den Faktor 760 gesteigert werden. Verschiedene Cyclodextrine wurden getestet. Dabei erwiesen sich insbesondere die lipophilen Derivate des β-Cyclodextrins als geeignet. Die Einlagerung des Wirkstoffes in das Innere der Kavität wurde mittels NMR-Spektroskopie bestätigt. Zusätzlich wurde erstmals eine Formulierung von VAS3947 mit Hydroxypropyl-β-Cyclodextrin zur intravenösen Anwendung im Tiermodell für die Durchführung von geplanten Pharmakokinetikstudien hergestellt. Diese erzielte über 24 Stunden eine Löslichkeit von 1 mg/mL und schütze den Wirkstoff effektiv vor Zersetzung.
Durch die Formulierung von VAS3947 als halbfeste Mikroemulsion konnte die Wasserlöslichkeit ebenfalls gesteigert werden, allerdings längst nicht in dem Maße wie durch die Cyclodextrine.
Neben der Formulierungsentwicklung wurde eine physiko-chemische Charakterisierung des Wirkstoffes durchgeführt, um wichtige Parameter wie zum Beispiel die log P- und pKs-Werte einschätzen zu können. Des Weiteren wurde eine HPLC-Methode entwickelt und validiert, um die erzielte Löslichkeit quantifizieren zu können.
Ein großes Problem dieses Wirkstoffes und damit aller Derivate vom Triazolopyrimidine-Typ, welche die Vasopharm GmbH in der Entwicklung hat, ist die mangelnde chemische Stabilität aufgrund einer Halbaminal-Partialstruktur im Molekül. Durchgeführte Stabilitätsuntersuchungen sowie eine umfangreiche biopharmazeutische Charakterisierung bestätigten letztendlich, dass eine weitere Entwicklung dieser Wirkstoffe aufgrund ihrer ungenügenden Stabilität und ihrer hohen Zytotoxizität nicht möglich ist. Die niedrige Wasserlöslichkeit stellt ein zusätzliches Problem dar, das sich durch eine gezielte Formulierungsentwicklung lösen lässt.
KW  - Springs and Parachutes
KW  - Formulation development
KW  - Poorly water soluble drugs
KW  - ionic liquids
KW  - Imatinib
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154311
ER  -