TY  - THES
A1  - Völker, Michael
T1  - Entwicklung, Charakterisierung und Anwendung neuer In-vitro-Methoden zur Untersuchung des Fremdstoffmetabolismus und der Inhibition fremdstoffmetabolisierender Enzyme
T1  - Development, characterisation and application of new in-vitro-methods for the investigation of xenobiotic metabolism and the inhibition of xenobiotic metabolising enzymes
N2  - Arzneistoffe werden nach ihrer Applikation durch verschiedene fremdstoff-metabolisierende Enzyme des Organismus biochemisch verändert. Durch eine Hemmung dieser Enzyme, z. B. durch Grapefruitsaft oder einen gleichzeitig eingenommenen Arzneistoff, kann es insbesondere bei Arzneistoffen mit geringer therapeutischer Breite, wie z. B. Theophyllin oder Phenprocoumon, zu gefährlichen Nebenwirkungen kommen. Besonders gefährdet sind multimorbide Patienten, die eine Therapie mit einer Vielzahl von Arzneimitteln erhalten. Um den Metabolismus von neuen Wirkstoffen und deren Interaktionspotential zu untersuchen, werden u. a. In-vitro-Experimente mit Zellfraktionen oder einzelnen Enzymen durchgeführt. Bei Inhibitionsassays wird der Einfluss von Arzneistoffen auf die Umsetzung eines Testsubstrates untersucht. Ein Großteil dieser Arbeit beschäftigt sich daher mit der Entwicklung von Methoden, mit denen die Inhibition wichtiger fremd-stoffmetabolisierender Enzyme, wie Cytochrom-P450-Enzyme (CYP-Enzyme), Glutathion-S-Transferasen (GSTs) und Carboxylesterasen (CES), untersucht werden kann. Dabei wurde auch eine Charakterisierung der Testsubstrate vorgenommen. Darüber hinaus wurden die Bioaktivierung von Clopidogrel und die Bildung von reaktiven Metaboliten untersucht.

Aufgrund aktueller Diskussionen über die Interaktion zwischen Clopidogrel und Omeprazol wurde in dieser Arbeit die Bioaktivierung von Clopidogrel mit Hilfe von LC/MS/MS-Analysen und rekombinanten CYP-Enzymen sowie humanen Lebermikrosomen untersucht. Aufgrund der Instabilität des aktiven Metaboliten wurde in den inkubierten Proben eine Derivatisierung mit Dimedon durchgeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass die Umwandlung zum 2-Oxo-Clopidogrel durch mehrere CYP-Enzyme erfolgt. Neben CYP2C19 sind CYP1A2, CYP2B6, CYP2C9 und CYP3A4 beteiligt. Anhand von selektiven Inhibitoren konnte CYP3A4 für die Bildung des aktiven Metaboliten aus 2-Oxo-Clopidogrel identifiziert werden. Neben der Biotransformation durch CYP-Enzyme wird hauptsächlich der Carbonsäureester des Clopidogrels hydrolysiert. Untersuchungen mit humanen Subzellfraktionen und rekombinanten Carboxylesterasen zeigen, dass die Esterhydrolyse durch CES1 katalysiert wird. Des Weiteren wurde der Metabolismus von Omeprazol untersucht. Es stellte sich heraus, dass die 5-Hydroxylierung und die 5-O-Demethylierung hauptsächlich durch CYP2C19 und CYP2D6 erfolgen. Dabei besitzt Omeprazol die höchste Affinität zu CYP2C19. Die Bildung von Omeprazolsulfon wird hingegen nur durch CYP3A4 katalysiert. Mit Hilfe etablierter CYP-Inhibitionsassays wurde der Einfluss von Clopidogrel und Omeprazol auf neun verschiedene CYP-Enzyme untersucht. Durch Clopidogrel wurden CYP2B6 (IC50 = 6 nM), CYP2C19 (IC50 = 0.4 µM) und CYP1A2 (IC50 = 2.8 µM) gehemmt. Omeprazol inhibiert v. a. CYP2C19 (IC50 = 2 µM) und CYP3A4 (IC50 = 17 µM). Im Folgenden wurde auch der Einfluss von Omeprazol auf die Bildung von 2-Oxo-Clopidogrel untersucht. Die Bioaktivierung wurde allerdings erst bei einer Omeprazol-Konzentration von mehr als 10 µM beeinflusst. Am stärksten wurde dabei CYP2C19 (IC50 ca. 100 µM) gehemmt. Aufgrund der recht schwachen Inhibition von CYP2C19 durch Omeprazol und der Tatsache, dass mehrere CYP-Enzyme die Bildung von 2-Oxo-Clopidogrel katalysieren, lässt sich der Wirkungsverlust von Clopidogrel bei einer gleichzeitigen Einnahme von Omeprazol anhand der Ergebnisse der In-vitro-Versuche nicht durch eine Hemmung von CYP2C19 erklären.

Eine bisher nur wenig bei In-vitro-Interaktionsstudien untersuchte Klasse fremdstoffmetabolisierender Enzyme sind die Carboxylesterasen (CES), die v. a. bei der Bioaktivierung von Esterprodrugs eine wichtige Rolle spielen. Für die Entwicklung von Inhibitionsassays wurden zunächst verschiedene Modellsubstrate ausgewählt. Nach Inkubation dieser Substrate mit humanen Subzellfraktionen und rekombinanten Carboxylesterase-Enzymen wurden die Metaboliten mit Hilfe einer HPLC/UV-Analyse quantifiziert. Es zeigte sich, dass Methyl-4-nitrobenzoat und Mycophenolatmofetil selektiv durch CES1 hydrolysiert werden. Die Hydrolyse von Phenylacetat, p-Nitrophenylacetat und 4-Methylumbelliferylacetat wurde durch alle verwendeten Enzyme katalysiert. Darüber hinaus konnte eine Hydrolyse der aus Boswellia-Arten (Weihrauch) stammenden 3-O-Acetyl-11-keto--boswelliasäure durch CES2 beobachtet werden. Aufgrund der bei den meisten Modellsubstraten auftretenden Instabilität im Inkubationspuffer war eine Korrektur mit Hilfe von Blindproben erforderlich. Die Hydrolyse konnte durch Erniedrigung des pH-Wertes des Inkubationspuffers von 7.4 auf 6.5 und durch die Zugabe von Essigsäure zur Stopplösung verlangsamt werden. Anschließend wurde die Beeinflussung der Hydrolyse von p-Nitrophenylacetat durch Pflanzenextrakte untersucht. Es zeigte sich, dass zahlreiche Extrakte die Esterasen aus der humanen Leber hemmten und die Aktivität bei einer Extraktkonzentration von 25-50 µg/ml weit unterhalb von 50 % lag. Die Inhibition von CES durch Pflanzenextrakte stellt daher ein bisher unbekanntes Risiko für Arzneimittelinteraktionen dar.

Cytochrom-P450-Enzyme (CYP-Enzyme) sind die wichtigste Gruppe fremdstoff-metabolisierender Enzyme. Zur Untersuchung der Beeinflussung dieser Enzyme durch neue Wirkstoffe werden daher standardmäßig In-vitro-Interaktionsstudien durchgeführt. Von der Food and Drug Administration (FDA) wurden daher für jedes CYP-Enzym verschiedene Arzneistoffe als Testsubstrate vorgeschlagen. Zusätzlich kommen bei solchen Untersuchungen Modellsubstrate zum Einsatz, deren Metaboliten fluoreszieren und die somit für ein Hochdurchsatz-Screening mit Hilfe von Mikrotiterplatten verwendet werden können. In dieser Arbeit wurde eine Reihe von Modellsubstanzen (Cumarin- und Harman-Derivate) auf ihre Eignung als Substrate für CYP-Inhibitionsassays untersucht. Nach der Entwicklung von Methoden zur Detektion der Metaboliten, die durch LC/MS/MS-Analysen oder durch HPLC/Fluoreszenzanalysen erfolgte, wurden die CYP-Enzyme identifiziert, die an der Umsetzung der Substrate beteiligt sind und mit Hilfe von CYP-Enzymen und humanen Lebermikrosomen wurden die Km-Werte der Substrate bestimmt. Die Untersuchungen zur Stabilität der CYP-Enzyme über 60 min zeigten, dass diese bei 37 °C stark an Aktivität verlieren, insbesondere CYP1A2. Für eine maximale Umsetzungsgeschwindigkeit war eine NADPH-Konzentration von 1 mM ausreichend. Die Untersuchung von 14 Standardsubstraten ergab, dass die Mehrheit selektiv durch das entsprechende CYP-Enzym umgesetzt wird. Die Amodiaquin-N-deethylierung, die Tolbutamidhydroxylierung, die Chlorzoxazon-6-hydroxylierung und die 4-Nitrophenol-2-hydroxylierung wurden durch mehrere CYP-Enzyme katalysiert. Als Positivkontrollen für die Inhibitionsassays und zur Identifizierung der am Metabolismus beteiligten CYP-Enzyme werden von der FDA verschiedene Inhibitoren vorgeschlagen. Da nicht zu allen Inhibitoren Daten über deren Isoenzymselektivität vorliegen, wurde mit Hilfe der Assays die inhibitorische Aktivität von zwölf Inhibitoren auf neun verschiedene CYP-Enzyme untersucht. Alle Inhibitoren hemmten das jeweilige angegebene CYP-Enzym. Bei Furafyllin (CYP1A2), Tranylcypromin (CYP2A6), Clopidogrel (CYP2B6), Montelukast (CYP2C8), Sulfaphenazol (CYP2C9), Chinidin (CYP2D6) und Ketoconazol (CYP3A4) konnte eine Konzentration ermittelt werden, bei der nur ein CYP-Enzym gehemmt wird. Für Quercetin, Nootkaton, Diethyldithiocarbamat, Sertralin und Ticlopidin wurde eine Inhibition mehrerer CYP-Enzyme festgestellt. Mit Hilfe der CYP-Inhibitionsassays wurden Extrakte lebertoxischer Arzneipflanzen, wie z. B. Tussilago farfara (Huflattich) oder Chelidonium majus (Schöllkraut), untersucht. Alle Extrakte hemmten konzentrationsabhängig die CYP-Enzyme, am stärksten die Enzyme der Subfamilie CYP2C.

Als In-vitro-Substrate für CYP-Inhibitionsassays werden aufgrund ihrer starken Fluoreszenz häufig Cumarin-Derivate eingesetzt. In dieser Arbeit wurden daher 18 O-alkylierte bzw. O-benzylierte Derivate von 7-Hydroxycumarin, 7-Hydroxy-4-methylcumarin und 7-Hydroxy-4-trifluormethylcumarin synthetisiert und die Umsetzung durch verschiedene CYP-Enzyme mit Hilfe der zuvor optimierten LC/LC/Fluoreszenz-basierten Assays untersucht. An der O-Desalkylierung der Cumarin-Derivate waren hauptsächlich CYP1A2, CYP2B6 und im geringeren Ausmaß CYP2C19, CYP2D6 und CYP2E1 beteiligt. Die höchste Affinität besaßen die Substrate zu CYP1A2. Debenzylierungen wurden neben CYP1A2 hauptsächlich durch CYP3A4 katalysiert. Die höchsten Umsetzungsgeschwindigkeiten wurden für die Debenzylierung von 7-Benzyloxy-4-methylcumarin (BMC, 14 pmol/pmol P450/min) und 7-Benzyloxy-4-trifluormethylcumarin (BFC, 9 pmol/pmol P450/min) beobachtet. Für 7-Methoxy-4-trifluormethylcumarin (MFC) war die Umsetzungs¬geschwindigkeit für die O-Demethylierung mit CYP1A2 und CYP2B6 im Vergleich zu CYP2C9 deutlich höher. MFC und 7-Ethoxy-4-trifluormethylcumarin (EFC) eignen sich daher v. a. für Inhibitionsuntersuchungen von CYP2B6. Bei den untersuchten 7 Alkyloxycumarinen handelt es sich in allen Fällen nicht um selektive CYP-Substrate. Sie können demnach nicht für Inhibitionsuntersuchungen mit humanen Lebermikrosomen verwendet werden. Ein Einsatz für Simultanbestimmungen der Hemmung mehrerer CYP-Enzyme in einem Versuch (Cocktail-Assay) ist aus diesem Grund ebenfalls nicht möglich. Durch LC/MS-Analysen nach Inkubation der Cumarin-Derivate mit humanen Lebermikrosomen zeigte sich, dass neben den entsprechenden O Desalkylmetaboliten mehrere Hydroxymetaboliten entstehen und der O Desalkylmetabolit insbesondere bei Derivaten mit längeren Alkylsubstituenten nicht der Hauptmetabolit ist.

Ein Ziel der Arbeitsgruppe ist es zudem, neue In-vitro-Substrate zur Untersuchung der Inhibition von CYP-Enzymen mit besseren enzymkinetischen und analytischen Eigenschaften zu entwickeln. Grundstruktur hierfür ist das -Carbolin, da -Carbolin-Derivate eine starke Fluoreszenz aufweisen. Von dem Naturstoff Harmin ist bekannt, dass dieser durch CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19 und CYP2D6 O-demethyliert wird. Durch Modifizierung der Harman-Struktur sollte die CYP-Isoenzymselektivität für die O-Dealkylierung gesteigert werden und Substrate für weitere CYP-Enzyme erhalten werden. Hierfür wurden in der Arbeitsgruppe u. a. 2-Benzyl-7-benzyloxyharman (BBH), 2-Benzyl-7-methoxyharman (BMH), 7-Methoxy-9-(4-carboxybenzyl)harman (MCBH) und 2-Methyl-7-methoxyharman (MMH) hergestellt. In dieser Arbeit wurden LC/LC/Fluoreszenz- und LC/MS/MS-Methoden zur Quantifizierung der aus diesen Derivaten entstehenden O-Desalkylmetaboliten entwickelt und die Substrate charakterisiert. Die Einführung von Benzylsubstituenten an der phenolischen Hydroxylgruppe von Harmol (BBH) führte zum Metabolismus durch CYP3A4 und die Substitution mit einem Carboxybenzylrest am Indolstickstoff (MCBH) verstärkte die Selektivität zu den Enzymen der Subfamilie 2C. Durch die Methylierung des Pyridin-Stickstoffs des Harmins (MMH) wurde ein selektives Substrat für CYP2D6 erhalten, weshalb bei dieser Substanz auch humane Lebermikrosomen verwendet werden können. Durch die im Vergleich zu anderen CYP2D6-Substraten erhaltene hohe Umsetzungsgeschwindigkeit lässt sich die Proteinkonzentration minimieren. Für die überwiegend an der O-Dealkylierung der Substrate beteiligten CYP-Enzyme wurden die Km-Werte ermittelt. Bei der Untersuchung von verschiedenen CYP-Inhibitoren zeigte sich, dass mit diesen Substraten vergleichbare IC50-Werte, wie mit den Standardsubstraten, erhalten werden. Die Harman-Derivate können daher zur Untersuchung der Inhibition wichtiger CYP-Enzyme eingesetzt werden und bieten eine Alternative zu den bisher vorhandenen Fluoreszenz-Substraten. Durch die Einstellung des pH-Wertes im Anschluss an die Inkubation lassen sich die Metaboliten ebenfalls fluorimetrisch in der Mikrotiterplatte detektieren und können für ein Hochdurchsatz-Screening eingesetzt werden. Allerdings müssen die Fluoreszenzeigenschaften weiter verbessert werden, um eine kontinuierliche Bestimmung während der Inkubation zu ermöglichen.

In der pharmazeutischen Industrie besteht ein großes Interesse an der Detektion von reaktiven Metaboliten, um eine potentielle Lebertoxizität von neuen Wirkstoffen vorhersagen zu können. Hierfür werden die Testsubstanzen mit humanen Lebermikrosomen inkubiert und die reaktiven Metaboliten mit Glutathion abgefangen. Zur Optimierung der LC/MS/MS-Analysen wurde in dieser Arbeit die Fragmentierung solcher Addukte anhand von Standardsubstanzen untersucht. Bei allen untersuchten Glutathion-Addukten trat eine Abspaltung der Pyroglutaminsäure bei positiver Polarität mit einer vergleichbaren Signalintensität auf, weshalb eine Detektion dieses Fragmentes durch einen Neutral-Loss-Scan am besten geeignet erschien. Mit Hilfe der Screening-Methode wurden zuerst Arzneistoffe untersucht, von denen reaktive Metaboliten bekannt sind. Für die Bioaktivierung von Clozapin konnten CYP1A2, CYP2D6 und CYP3A4 identifiziert werden, während die Toxifizierung von Paracetamol hauptsächlich durch CYP1A2 und CYP3A4 erfolgte. Auffällig war, dass mit steigender Paracetamolkonzentration keine Sättigung der Umsetzung auftrat. Durchgeführte Molekülveränderungen am Glutathion, wie die Einführung eines Dansylrestes oder eines Biotins, führten zu keiner deutlichen Verbesserung der Detektion der reaktiven Metaboliten. Darüber hinaus zeigte sich, dass bei den markierten GSH-Derivaten die Umsetzung durch GSTs erheblich reduziert ist. Mit der Screening-Methode wurden allerdings viele falsch positive Signale erhalten, so dass diese nicht für eine Untersuchung von Extrakten lebertoxischer Pflanzen eingesetzt werden konnte. Für eine eindeutige und schnelle Identifizierung der Signale als Glutathion-Addukte ist daher die hochauflösende Massenspektrometrie erforderlich.

Eine weitere Klasse fremdstoffmetabolisierender Enzyme sind die Glutathion-S-Transferasen (GSTs), über deren Inhibition durch Arzneistoffe und Pflanzenextrakte in der Literatur nur wenige Daten vorliegen. Zur Entwicklung von Inhibitionsassays wurden die in der Literatur beschriebenen Substrate 1-Chlor-2,4-dinitrobenzol, 4 Nitrochinolin-N-oxid, 1,2-Dichlor-4-nitrobenzol und 4-Nitrobenzylchlorid verwendet. Die Detektion der Metaboliten erfolgte im Gegensatz zu der häufig eingesetzten Photometrie mit Hilfe der HPLC/UV- bzw. einer LC/MS/MS-Analyse. Für die Kalibrierung wurden zunächst die entsprechenden Glutathionkonjugate aus den Substraten synthetisiert. Bei den durchgeführten diskontinuierlichen Assays stellte die häufig auftretende nichtenzymatische Reaktion der Substrate mit Glutathion ein Problem dar. Durch die Erniedrigung des pH-Wertes des Inkubationspuffers von 7.4 auf 6.5 und der Senkung der Inkubationstemperatur von 37 °C auf 25 °C konnte die nichtenzymatische Reaktion während der Inkubation erheblich verlangsamt werden. Die nichtenzymatische Reaktion nach der Inkubation konnte durch Zugabe von Oxidationsmitteln gestoppt werden. Von den getesteten humanen Lebersubzell¬fraktionen besaß die cytosolische Fraktion bei allen Substraten die höchste Aktivität. Im Rahmen der Assayentwicklung wurde die Glutathion-, die Proteinkonzentration und die Inkubationszeit optimiert. Es wurden die Km- und Vmax-Werte für die Umsetzung der Substrate ermittelt. Als Positivkontrolle diente das ebenfalls synthetisierte Glutathionkonjugat der Etacrynsäure, für das die IC50-Werte mit jedem Substrat bestimmt wurden. Dabei konnte ein Einfluss des pH-Wertes des Inkubationspuffers und der Inkubationstemperatur auf die gemessene inhibitorische Aktivität beobachtet werden. Anschließend wurde ein Screening von Arzneistoffen, ausgewählten Naturstoffen und etwa 50 Pflanzenextrakten auf eine Inhibition der GSTs in humanem Lebercytosol mit 1-Chlor-2,4-dinitrobenzol, das am schnellsten von allen Substraten umgesetzt wurde, durchgeführt. Von den getesteten Naturstoffen fiel eine ausgeprägte Hemmung durch Biflavonoide auf. Nahezu alle untersuchten Pflanzenextrakte hemmten die GSTs. Eine starke Inhibition der GSTs zeigten Extrakte aus Cinnamomum cassia (Zimt), die sich als nicht-kompetitiv herausstellte. Weiterhin wurde eine starke Hemmung der Extrakte gerbstoffhaltiger Pflanzen, wie z. B. Hamamelis virginiana (virginische Zaubernuss) oder Krameria triandra (Ratanhia), beobachtet. Hier resultierten IC50-Werte zwischen 5 und 30 µg/ml. Ein Vergleich verschiedener Methoden zur Detektion des Metaboliten 2,4 Dinitrophenyl-S-glutathion zeigte, dass die Photometrie für die Untersuchung der Inhibition von Pflanzenextrakten aufgrund der Störung durch die Pflanzenmatrix ungeeignet ist. Mit Hilfe der verwendeten HPLC/UV- sowie der LC/MS/MS-Analyse konnte der Metabolit selektiv erfasst werden und reproduzierbare Ergebnisse für die Inhibition der GSTs durch Pflanzenextrakte erzielt werden.

Neben den GSTs wurde auch die Beeinflussung der Glutathionreduktase (GR) in dieser Arbeit untersucht. Hierfür wurde ein HPLC-basierter Assay entwickelt, bei dem das reduzierte Glutathion mit 5,5´-Dithiobis(2-nitrobenzoesäure) derivatisiert und das entstandene gemischte Disulfid aus Glutathion und 5-Thio-2-nitrobenzoesäure quantifiziert wurde. Zur Untersuchung der Inhibition durch Pflanzenextrakte wurde humanes Lebercytosol verwendet, das von allen humanen Lebersubzellfraktionen die höchste Aktivität besaß. Im Vergleich zu den GSTs wurde die GR durch die überwiegende Zahl der ausgewählten Pflanzenextrakte kaum gehemmt. Eine nennenswerte Inhibition der GR konnte nur bei Extrakten von Juglans regia (Walnuss) beobachtet werden.

Fazit
In dieser Arbeit wurden eine Reihe von In-vitro-Methoden zur Untersuchung der Inhibition von CYP-Enzymen und weiteren fremdstoffmetabolisierenden Enzymen, wie CES oder GSTs, entwickelt. Aufgrund der dabei angewendeten selektiven HPLC-basierten Quantifizierung der Metaboliten durch UV-, Fluoreszenz- oder MS-Detektion können mit diesen Methoden auch Proben mit komplexer Matrix untersucht werden. Für alle Assays wurden die Inkubationsbedingungen optimiert und die enzymkinetischen Parameter vieler Substrate ermittelt. Darüber hinaus wurden wichtige Erkenntnisse über die Isoenzymselektivität dieser Substrate gewonnen. Die Eignung der Assays wurde anhand von Standardinhibitoren bewiesen. Schließlich wurde die inhibitorische Aktivität von zahlreichen Pflanzenextrakten bestimmt, deren Auswirkung auf fremdstoffmetabolisierende Enzyme bisher unbekannt war. Die in dieser Arbeit beschriebenen Methoden können für die Untersuchung des Metabolismus von Arzneistoffen und der Inhibition fremdstoffmetabolisierender Enzyme, die für eine Zulassung neuer Wirkstoffe erforderlich ist, routinemäßig eingesetzt werden.
N2  - Drugs are biochemically transformed by different xenobiotic metabolising enzymes after their application to humans. The inhibition of these enzymes, e. g. by grapefruit juice or a coadministrated drug, especially drugs with a small therapeutic range, for example theophylline or phenprocoumon, can result in serious side effects. Especially endangered are multimorbid patients, who get a therapy with multiple drugs. To examine the metabolism of new therapeutic agents and their potential for interactions, in-vitro-experiments will be done with tissue fractions or individual enzymes. In inhibition assays the influence of the drug on the transformation of the test substrate will be investigated. A major part of this work deals with the development of methods to test the inhibition of xenobiotic metabolising enzymes, like cytochrome P450 enzymes (CYP enzymes), glutathione S-transferases (GSTs) and carboxylesterases (CES). Thereby, a characterisation of the test substrates was performed. In addition the bioactivation of clopidogrel and the formation of reactive metabolites were investigated.

Due to current discussions about the interaction between clopidogrel and omeprazole, the bioactivation of clopidogrel was investigated by LC/MS/MS analysis and recombinant CYP enzymes or human liver microsomes. Because of the instability of the active metabolite a derivatisation of the incubated samples with dimedone were carried out. The investigation shows, that the transformation to 2 oxo-clopidogrel is catalysed by several CYP enzymes. Beside CYP2C19, the enzymes CYP1A2, CYP2B6, CYP2C9 and CYP3A4 are involved. With selective inhibitors CYP3A4 could be identified for the formation of the active metabolite from 2-oxo-clopidogrel. In addition to the biotransformation by CYP enzymes the carboxylic acid ester of clopidogrel is mainly hydrolysed. Incubations with human tissue fractions and recombinant carboxylesterases shows, that the hydrolysis of the ester is catalysed by CES1. Furthermore the metabolism of omeprazole was investigated. The results show, that the 5-hydroxylation and the 5-O-demethylation mainly is carried out by CYP2C19 and CYP2D6. Thereby omeprazole has the highest affinity to CYP2C19. In contrast, the formation of omeprazole sulfone is catalysed especially by CYP3A4. With the aid of established inhibition assays for CYP enzymes the influence of clopidogrel and omeprazole on nine different CYP enzymes was investigated. Clopidogrel inhibits CYP2B6 (IC50 = 6 nM), CYP2C19 (IC50 = 0.4 µM) and CYP3A4 (IC50 = 2.8 µM). Omeprazole inhibits especially CYP2C19 (IC50 = 2 µM) and CYP3A4 (IC50 = 17 µM). Subsequent, the influence of omeprazole on the formation of 2-oxo-clopidogrel was also investigated. However, the bioactivation of clopidogrel was decreased by concentrations of omeprazole higher than 10 µM. Here mostly CYP2C19 was inhibited with an IC50 value of about 100 µM. Due to the poor inhibition of CYP2C19 caused by omeprazole and the fact, that several CYP enzymes catalyse the formation of 2-oxo-clopidogrel, the loss of the pharmacological effect of clopidogrel during the simultaneous intake of omeprazole can not be explained with the inhibition of CYP2C19.

A previously insufficient investigated class of xenobiotic metabolising enzymes are carboxylesterases (CES) which especially play an important role in the bioactivation of ester prodrugs. For the development of inhibition assays different artificial substrates were selected. After the incubation with human tissue fractions and recombinant carboxylesterases the metabolites were quantified via HPLC/UV-analysis. It was demonstrated that methyl 4-nitrobenzoate and mycophenolate mofetil are selectively hydrolysed by CES1. The hydrolysis of phenyl acetate, p nitrophenyl acetate and 4-methylumbelliferyl acetate was catalysed by all enzymes used. Furthermore the hydrolysis of 3-O-acetyl-11-keto--boswellic acid, which can be isolated from various Boswellia species, by CES2 was obtained. Because of the instability of the most artificial substrates in the incubation buffer, a correction with a blank value was necessary. A decrease of the pH value of the incubation buffer from 7.4 to 6.5 and the addition of acetic acid to the termination solvent retards the hydrolysis. Afterwards the influence of the inhibitory activities of plant extracts on the hydrolysis of p-nitrophenyl acetate was investigated. The results shows, that numerous plant extracts inhibits esterases of the human liver and the activity with an extract concentration of 25-50 µg/ml is widely below 50 percent. Thus the inhibition of CES caused by plant extracts is until now an unknown risk of drug interactions.

Cytochrome P450 enzymes (CYP enzymes) are the most important class of xenobiotic metabolising enzymes. To investigate the influence of these enzymes due to new active substances standardised in vitro interaction studies will be performed. Thus the Food and Drug Administration (FDA) has suggested several drugs as test substrates for each CYP isoform. Additional artificial substrates are used in such studies. The metabolites of these substrates are fluorescent and therefore they are suitable for high-throughput screening analysis in multiwell plates. In this work, a series of artificial substrate (derivatives of coumarin and harmane) were investigated to their applicability as substrates for CYP inhibition assays. After the development of methods to detect the metabolites, which was done by LC/MS/MS- or HPLC/fluorescence analysis, the CYP isoforms for the transformation of the substrates were identified. With the aid of CYP enzymes and human liver microsomes the Km values were determined. The stability testing of the CYP enzymes during 60 min shows, that they strongly lose their activity at 37 °C, especially CYP1A2. For the maximum reaction velocity, a NADPH concentration of 1 mM was sufficient. The investigation of 14 standard substrates shows, that the majority was metabolised by a single CYP enzyme. The amodiaquine N-deethylation, the tolbutamide hydroxylation, the chlorzoxazone 6-hydroxylation and the 4 nitrophenole 2-hydroxylation were catalysed by several CYP isoforms. As positive control of the inhibition assays and for the identification of the CYP enzymes, which are involved in the metabolism, the FDA has also proposed several inhibitors. For many inhibitors there are no data of the selectivity to the CYP isoforms published. Therefore the inhibitory activity of 12 inhibitors with 9 different CYP enzymes by the established assays was investigated. All inhibitors inhibited the previously described CYP enzymes. For furafylline (CYP1A2), tranylcypromine (CYP2A6), clopidogrel (CYP2B6), montelukast (CYP2C8), sulfaphenazole (CYP2C9), quinidine (CYP2D6) and ketoconazole (CYP3A4) a concentration was found, which inhibited only one CYP enzyme. For quercetin, nootkatone, diethyldithiocarbamic acid, sertraline and ticlopidine an inhibition of several CYP enzymes was discovered. With the CYP inhibition assays liver toxic plant extracts of e. g. Tussilago farfara (coughwort) or Chelidonium majus (celandine) were investigated. All extracts inhibited the CYP enzymes concentration dependent, most intensive the enzymes of subfamily CYP2C.

Coumarin derivatives are often used as in vitro substrates for CYP inhibition assays because of their high fluorescence. In this work 18 O-alkylated and O-benzylated derivatives of 7-hydroxycoumarin, 7-hydroxy-4-methylcoumarin and 7-hydroxy-4-trifluoromethylcoumarin were synthesised and the transformation due to several CYP enzymes was investigated with primarily optimised LC/LC/fluorescence-based assays. On the O-dealkylation of coumarin derivatives CYP1A2, CYP2B6 were mainly participated and to a lower extent CYP2C19, CYP2D6 and CYP2E1. The highest affinity had the substrates to CYP1A2. Debenzylations were catalysed mainly by CYP1A2 and CYP3A4. The highest reaction velocities were observed for the debenzylation of 7-benzyloxy-4-methylcoumarin (BMC, 14 pmol/pmol P450/min) and 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin (BFC, 9 pmol/pmol P450/min). For 7-methoxy-4-trifluoromethylcoumarin (MFC) the conversion rate for the O-demethylation with CYP1A2 and CYP2B6 in comparison with CYP2C9 was explicitly higher. So MFC and 7-ethoxy-4-trifluoromethylcoumarin (EFC) are suitable substrates especially for CYP2B6. All analysed 7-alkyloxycoumarin derivatives are no selective substrates. Thus they cannot be used for inhibition studies with human liver microsomes. Also their application for the simultaneous determination of the inhibition of several CYP enzymes in one sample (cocktail assay) is not possible. The LC/MS-based analysis after the incubation of the coumarin derivatives showed, that beside the O dealkylated metabolites several hydroxylated metabolites are formed. In many cases the O-dealkylated metabolite is not the main metabolite, especially by derivatives with longer alkyl chains.

An aim of our group is the development of new in vitro substrates for the investigation of the inhibition of CYP enzymes with improved kinetic and analytical properties. The basic structure is -carboline, because -carboline derivatives show a strong fluorescence. It is known about the natural product harmine, that it will be O demethylated by CYP1A2, CYP2C9, CYP2C19 and CYP2D6. Due to modifications of the harmane structure, the CYP isoform selectivity for the O-dealkylation should increase and substrates should receive for further CYP enzymes. For this, our working group synthesised e. g. 2-benzyl-7-benzyloxyharmane (BBH), 2-benzyl-7-methoxyharmane (BMH), 7-methoxy-9-(4-carboxybenzyl)harmane (MCBH) and 2 methyl-7-methoxyharmane (MMH). In this work LC/LC/fluorescence- and LC/MS/MS methods were developed for quantification of the generated O dealkylated metabolites. The introduction of a benzyl residue at the phenolic hydroxyl group of harmol (BBH) caused a metabolism due to CYP3A4. The substitution with a carboxybenzyl residue on the indole nitrogen (MCBH) increased the selectivity to the subfamily CYP2C. With the methylation of the pyridine nitrogen a selective substrate for CYP2D6 was obtained. So this substrate is usable with human liver microsomes. Due to the high reaction velocity of MMH in comparison with other substrates of CYP2D6, the concentration of the protein can be minimized. The Km values of the CYP enzymes, which predominantly catalysed the O dealkylation of the harmane derivatives, were determined. The investigation of several CYP inhibitors showed, that with the new substrates comparable IC50 values to the standardised substrates were received. The harmane derivatives are suitable for the detection of the inhibition of important CYP enzymes. They are alternative substrates to the previously existing fluorescent substrates. With an adjustment of the pH value after incubation, the metabolites can be fluorimetrically detected in multiwell plates. So they are usable for high throughput screening. However, the fluorescence properties have to be improved for a continuous determination of the metabolite during the incubation.

The pharmaceutical industry is interested in the detection of reactive metabolites to predict a potential liver toxicity of new drug candidates. For this purpose the test compounds will be incubated with human liver microsomes and the reactive metabolites will be trapped with glutathione. To optimise the LC/MS/MS analysis, the fragmentation of such adducts was investigated with standard substances. At positive polarity, all glutathione adducts showed a loss of pyroglutamic acid with comparable peak intensity. Therefore the detection of this fragment with a neutral loss scan is most practicable. With the aid of the screening method first drugs were investigated from which reactive metabolites are known. CYP1A2, CYP2D6 and CYP3A4 were identified for the bioactivation of clozapine. The toxification of acetaminophen is mainly catalysed by CYP1A2 and CYP3A4. Conspicuous was the fact, that there was no saturation of the reaction velocity with increasing concentration of acetaminophen. Changes of the glutathione molecule like the introduction of a dansyl or a biotin residue do not seriously improve the detection of the reactive metabolites. Also it was shown, that the reaction of the labelled glutathione derivatives by GSTs is significantly reduced. With the developed screening methods many false positive signals were observed. So this method was not applicable for the investigation of extracts from liver toxic plants. For a definite and fast identification of signals as glutathione adducts the high resolution mass spectrometry is required.

Another class of xenobiotic metabolising enzymes are glutathione S-transferases (GSTs). About their inhibition caused by drugs and plant extracts only a few information can be found in the literature. For the development of inhibition assays well known substrates like 1-chloro-2,4-dinitrobenzene, 4-nitroquinoline N-oxide, 1,2 dichloro-4-nitrobenzene and 4-nitrobenzyl chloride were used. The metabolites were quantified by HPLC/UV- and LC/MS/MS analysis in contrast to the often used photometry. For the calibration of the methods first the appropriate glutathione conjugates were synthesised from the substrates. A problem of the discontinuous assays was the often arising non enzymatic reaction of the substrates with glutathione. With a decrease of the pH value of the incubation buffer from 7.4 to 6.5 and the reduction of incubation temperature from 37 °C to 25 °C the velocity of the non enzymatic reaction extensively slows down. The non enzymatic reaction in the samples after incubation could stopped by the addition of oxidants. For all substrates the cytosolic fraction showed the highest activity of all tested human liver tissue fractions. During the development of the assays the glutathione concentration, the protein concentration and the incubation time were optimised. The Km and Vmax values for the conversion of the substrates were determined. The also synthesised glutathione conjugate of ethacrynic acid was used as positive control, for that the IC50 values were determined with every substrate. Thereby the pH value of the incubation buffer and the incubation temperature influence the measured inhibitory activity. Following drugs, selected natural products and about 50 plant extracts were screened for the inhibition of GSTs with human liver cytosol and 1-chloro-2,4-dinitrobenzene, that was conjugated with the highest conversion rate of all substrates. Of the natural products the distinctive inhibition of biflavonoids was noticeable. Nearly all tested plant extracts inhibits GSTs. A strong inhibition of the GSTs showed extracts from Cinnamomum cassia (cinnamomum), which is non-competitive. Furthermore an important inhibition caused by extracts from e. g. Hamamelis virginiana (witch hazel) or Krameria triandra (ratanhia) were observed. Here IC50 values between 5 and 30 µg/ml were obtained. A comparison of different methods for the detection of the metabolite 2,4-dinitrophenyl-S-glutathione demonstrated, that photometry is not suitable for the investigation of the inhibition by plant extracts because of the interference caused by the plant matrix. With HPLC/UV- and the LC/MS/MS methods the metabolite could selectively be determined and reproducible results for the inhibition of GSTs by plant extracts were obtained.

Besides GSTs the influence of glutathione reductase (GR) was also investigated in this work. An HPLC-based assay was developed, where the reduced glutathione has been derivatised with 5,5-dithiobis(2-nitrobenzoic acid) and the resulted mixed disulfide of glutathione and 5-thio-2-nitrobenzoic acid has been quantified. For the examination of the inhibition by plant extracts, human liver cytosol was applied, which has the highest activity of all human liver tissue fractions. In comparison with GSTs, the GR was hardly inhibited by most of the selected plant extracts. A notable inhibition could only be obtained by extracts of Juglans regia (walnut).

Conclusion
In this work, many in vitro methods for the investigation of the inhibition of CYP enzymes and further xenobiotic metabolising enzymes like CES or GSTs were developed. On the basis of the selective HPLC-based quantification with UV-, fluorescence- or MS detection, samples with a complex matrix can be measured. For all assays the conditions for incubation were optimised and the kinetic parameters of many substrates were determined. In addition important information about the selectivity of isoenzymes was received. The suitability of the developed assays was demonstrated with standard inhibitors. Finally, the inhibitory activity of numerous plant extracts were determined, which effect on xenobiotic metabolising enzymes was previously unknown. The developed methods in this work are routinely applicable for the investigation of drug metabolism and the inhibition of xenobiotic metabolising enzymes, which are required for the marketing authorization.
KW  - Cytochrom-P450-Enzyme, Carboxylesterasen, Glutathion-S-Transferasen
KW  - In-vitro-Assays
KW  - HPLC/UV-, HPLC/Fluoreszenz-, LC/MS/MS-Analyse
KW  - ß-Carbolinalkaloide, 7-Alkyloxycumarine, Clopidogrel, Paracetamol
KW  - Pflanzenextrakte
KW  - cytochrome P450 enzymes, carboxylesterases, glutathione S-transferases
KW  - in-vitro-assays
KW  - HPLC/UV, HPLC/fluorescence, LC/MS/MS analysis
KW  - ß-carboline alkaloids, 7-alkyloxycoumarins, clopidogrel, acetaminophen
KW  - plant extracts
KW  - Xenobiotikum
KW  - Stoffwechsel
KW  - Biotransformation
KW  - Inhibition
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-99434
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zieschang, Fabian
T1  - Energy and Electron Transfer Studies of Triarylamine-based Dendrimers and Cascades
T1  - Energie- und Elektron-Transfer Studien von triarylamin-basierten Dendrimeren und Kaskaden
N2  - In this work the synthesis of dendritic macromolecules and small redox cascades was reported and studies of their energy and electron transfer properties discussed.
The chromophores in the dendrimers and the redox cascades are linked via triazoles, which were built up by CuAAC. Thereby, a synthetic concept based on building blocks was implemented, which allowed the exchange of all basic components. Resulting structures include dendrimers composed exclusively of TAAs (G1–G3), dendrimers with an incorporated spirobifluorene core (spiro-G1 and spiro-G2) and the donor-acceptor dendrimer D-A-G1, in which the terminal groups are exchanged by NDIs.
Furthermore, a series of model compounds was synthesised in order to achieve a better understanding of the photophysical processes in the dendrimers.
A modification of the synthetic concept for dendrimers enabled the synthesis of a series of donor-acceptor triads (T-Me, T-Cl and T-CN) consisting of two TAA donors and one NDI acceptor unit. The intermediate TAA chromophore ensured a downhill redox gradient from the NDI to the terminal TAA, which was proved by cyclic voltammetry measurements. The redox potential of the intermediate TAA was adjusted by different redox determining substituents in the “free” p-position of the TAA. Additionally, two dyads (Da and Db) were synthesised which differ in the junction of the triazole to the TAA or the NDI, respectively. In these cascades a nodal-plane along the N-N-axes in the NDI and a large twist angle between the NDI and the N-aryl substituent guaranteed a small electronic coupling.
The photophysical investigations of the dendrimers focused on the homo-energy transfer properties in the TAA dendrimers G1–G3. Steady-state emission spectroscopy revealed that the emission takes place from a charge transfer state. The polar excited state resulted in a strong Stokes shift of the emission, which in turn led to a small spectral overlap integral between the absorption of the acceptor and the emission of the donor in the solvent relaxed state. According to the Förster theory, the overlap integral strongly determines the energy transfer rate. Fluorescence up-conversion measurements showed a strong and rapid initial fluorescence anisotropy decay and a much slower decrease on the longer time scale. The experiment revealed a fast energy transfer in the first 2 ps followed by a much slower energy hopping. Time resolved emission spectra (TRES) of the model compound M indicated a solvent relaxation on the same time scale as the fast energy transfer.
The Förster estimation of energy transfer rates in G1 explains fast energy transfer in the vibrotionally relaxed state before solvent relaxation starts. Thereby, the emission spectrum of G1 in cyclohexane served as the time zero spectrum. Thus, solvent relaxation and fast energy transfer compete in the first two ps after excitation and it is crucial to discriminate between energy transfer in the Franck-Condon and in the solvent relaxed state. Furthermore, this finding demonstrates that fast energy transfer occurs even in charge transfer systems where a large Stokes shift prevents an effective spectral overlap integral if there is a sufficient overlap integral in before solvent relaxation.
Energy transfer upon excitation was also observed in the spiro dendrimers spiro-G1 and spiro-G2 and identified by steady-state emission anisotropy measurements. It was assumed that the energy in spiro-G1 is completely distributed over the entire molecule while the energy in spiro-G2 is probably distributed over only one individual branch. This finding was based on a more polarised emission of spiro-G2 compared to spiro-G1. This issue has to be ascertained by e.g. time resolved emission anisotropy measurements in further energy transfer studies. 
Concerning the electron transfer properties of TAA-triazole systems the radical cations of G1–G2, spiro-G1 and spiro-G2 and of the model compound M were investigated by steady-state absorption spectroscopy. Experiments showed that the triazole bridge exhibits small electronic communication between the adjacent chromophores but still possesses sufficient electronic coupling to allow an effective electron transfer from one chromophore to the other. 
Due to the high density of chromophores, their D-A-D structure and their superficial centrosymmetry, the presented dendrimers are prospective candidates for two-photon absorption applications.
The dyads, triads and the donor-acceptor dendrimer D-A-G1 were investigated regarding their photoinduced electron transfer properties and the effects that dominate charge separation and charge recombination in these systems.
The steady-state absorption spectra of all cascades elucidated a superposition of the absorption characteristics of the individual subunits and spectra indicated that the chromophores do not interact in the electronic ground state.
Time resolved transient absorption spectroscopy of the cascades was performed in the fs- and ns-time regime in MeCN and toluene as solvent. Measurements revealed that upon with 28200 cm-1 (355) nm and 26300 cm-1 (380 nm), respectively, an electron is transferred from the TAA towards the NDI unit yielding a CS state. In the triads at first a CS1 state is populated, in which the NDI is reduced and the intermediate TAA1 is oxidised. Subsequently, an additional electron transfer from the terminal TAA2 to TAA1 led to the fully CS2 state. Fully CS states of the dyads and triads exhibit lifetimes in the ns-time regime. In contrast for Db in MeCN, a lifetime of 43 ps was observed for the CS state together with the population of a 3NDI state. The signals of the other CS states decay biexponentially, which is a result of the presence of the 1CS and the 3CS states. While magnetic field dependent measurements of Db did not show an effect due to the large singlet-triplet splitting, T-CN exhibited a strong magnetic field dependence which is an evidence for the 1CS/3CS assignment. Further analysis of the singlet-triplet dynamics are required and are currently in progress.
Charge recombination occurred in the Marcus inverted region for compounds solved in toluene and in the Marcus normal region for MeCN as solvent. However, a significant inverted region effect was observed only for Db. Triads are probably characterised by charge recombination rates in the inverted and in the normal region near to the vertex of the Marcus parabola. Hence the inverted region effect is not pronounced and the rate charge recombination rates are all in the same magnitude. However, compared to the charge recombination rate of Db the enlarged spatial distance between the terminal TAA and the NDI in the fully CS2 states in the triads resulted in reduced charge recombination rates by ca. one order of magnitude.
More important than a small charge recombination rate is an overall lifetime of the CS states and this lifetime can significantly be enhanced by the population of the 3CS state. The reported results reveal that a larger singlet-triplet splitting in the dyads led to a CS state lifetime in the us time regime while a lifetime in the ns-time regime was observed in cases of the triads. Moreover, the singlet-triplet splitting was found to be solvent dependent in the triads, which is a promising starting point for further investigations concerning singlet-triplet splitting.
The donor-acceptor dendrimer D-A-G1 showed similar characteristics to the dyads. The generation of a CS state is assumed due to a clear NDI radical anion band in the transient absorption spectrum. Noteworthy, the typical transient absorption band of the TAA radical cation is absent for D A-G1 in toluene. Bixon-Jortner analysis yielded a similar electronic coupling in D-A-G1 compared to the dyads. However, the charge recombination rate is smaller than of Db due to a more energetic CS state, which in the inverted region slows down charge recombination. In combination a singlet-triplet splitting similar to the dyads prolongs the CS state lifetime up to 14 us in diluted solution. Both effects result in an even better performance of D-A-G1 concerning energy conversion. D A-G1 is therefore a promising key structure for further studies on light harvesting applications. In a prospective study a second generation donor-acceptor dendrimer D-A-G2 might be an attractive structure accessible by “click reaction” of 13 and 8. D-A-G2 is expected to exhibit a downhill oriented gradient of CS states as assumed from the CV studies on G1–G3.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Synthese sowohl von dendritischen Makromolekülen als auch von kleineren Donor-Akzeptor-Systemen realisiert. Des Weiteren wurden diese Verbindungen bezüglich ihrer Energie- und Elektron-Transfer-Eigenschaften untersucht.
In allen untersuchten Systemen wurden die eingebauten Chromophore durch Triazole miteinander verknüpft. Dabei sind die Triazole das Ergebnis einer Kupfer(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Cycloaddition zwischen einem terminalen Alkin und einem Azid. Für die Darstellung der vorgestellten Verbindungen wurde ein synthetisches Konzept auf der Basis von molekularen Bausteinen entwickelt, das den Austausch aller elementaren Komponenten ermöglicht. Die so erhaltenen Systeme bestehen aus Dendrimeren, die auschließlich aus Triarylaminen (TAA) aufgebaut sind (G1-G3), Dendrimeren mit einem Spirobifluoren-Gerüst als Kern (spiro-G1 und spiro-G2) und dem Donor-Akzeptor Dendrimer (D-A-G1), in dem Naphthalindiimid-Akzeptoren (NDI) als Endgruppen fungieren.
Zusätzlich wurde eine Reihe von Modellverbindung verwirklicht, um mit ihrer Hilfe ein besseres Verständnis der photophysikalischen Prozesse in den Dendrimeren zu erlangen.
Durch eine Modifikation des synthetischen Baukastensystems, welches den Zugang zu den Dendrimeren ermöglichte, wurde außerdem die Darstellung einer Reihe von Donor-Akzeptor-Triaden (T-Me, T-Cl und T-CN) verwirklicht. Diese Triaden bestehen dabei aus zwei TAA-Donoren und einem NDI-Akzeptor. Mit Hilfe der Cyclovoltammetrie konnte ein abwärtsgerichteter Redoxgradient vom NDI zum endständigen TAA in den Triaden bestätigt werden. Realisiert wurde dieser Redoxgradient, indem das Redoxpotential des mittleren TAAs durch geeignete Substitutenten in der „freien” p-Position des TAAs gezielt beeinflusst wurde. Des Weiteren wurden zwei Dyaden (Da und Db) synthetisiert, die sich nur in der Verknüpfung des TAAs bzw. des NDIs an das Triazol unterscheiden. In all diesen Kaskaden sorgen sowohl eine Knotenebene entlang der N-N-Achse des NDIs als auch ein großer Verdrillungswinkel zwischen dem NDI Kerngerüst und dem N-Arylsubstituenten für eine kleine elektronische Kopplung.
Bei den Untersuchungen der photophysikalischen Eigenschaften der Dendrimere lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der TAA-Dendrimere G1-G3 bezüglich ihrer Homo-Energie-Transfer-Eigenschaften. Die Beobachtung eines starken Stokes Shifts in der Fluoreszenz dieser Makromoleküle ist das Ergbnis einer Emission aus einem polaren Ladungs-Transfer-Zustand und einer großen Reorganisationsenergie l. Dadurch gibt es im Lösungsmittel-relaxierten Zustand nur ein kleines Überlapp-Integral zwischen der Absorption des Akzeptors und der Emission des Donors. Gerade dieses Überlapp-Integral bestimmt gemäß der Förster-Theorie maßgeblich die Geschwindigkeitskontante des Energie-Transfers. In Untersuchungen auf der Basis der Fluoreszenz-Aufkonversion wurde eine starke und schnelle Abnahme der Anfangsfluoreszenzanisotropie beobachtet, gefolgt von einem deutlich langsameren Abfall auf der längeren Zeitskala. Demnach kommt es zunächst zu einem schnellen Energie-Transfer in den ersten 2 ps nach der Anregung und anschließend zu einem langsameren Energie-Hüpfen. Zeitaufgelöster Emissionsspektren (TRES) der Modellverbindung M haben gezwigt, dass die Lösungsmittel-Relaxation auf derselben Zeitskala wie der schnelle Energie-Transfer stattfindet. Nach einer Abschätzung der Geschwindigkeitskonstanten für den Energie-Transfer in G1 auf Grundlage der Förster-Theorie findet der schnelle Energie-Transfer im Schwingungs-relaxierten Zustand statt, noch bevor die Lösungsmittel-Relaxation beginnt. Für diese Abschätzung wurde ein Fluorezenzspektrum von G1 in Cyclohexan als Spektrum zum Zeitnullpunkt verwendet. Der Analyse zur Folge konkurrieren in den ersten 2 ps nach der Anregung sowohl die Lösungsmittel-Relaxation als auch der schnelle Energie-Transfer-Prozess miteinander. Daher ist es unerlässlich zwischen dem Energie-Transfer im Franck-Condon- und im Lösungsmittel-relaxierten Zustand zu unterscheiden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass ein schneller Energie-Transfer auch in Ladungs-Transfer-Systemen möglich ist, in denen ein großer Stokes Shift einen effektiven spektralen Überlapp verhindert, wenn ein ausreichend großer spektraler Überlapp vor der Lösungsmittel-Relaxation vorliegt.
Auch in den Spiro-Dendrimeren spiro-G1 und spiro-G2 konnte ein Energie-Transfer nach der Anregung mit Hilfe von stationären Emissions-Anisotropie-Experimenten beobachtet werden. Dabei wurde angenommen, dass die Anregungsenergie in spiro-G1 über das gesammte Molekül verteilt ist. Eine stärker polarisierte Fluoreszenz in spiro-G2 im Vergleich zu spiro-G1 legt den Schluss nahe, dass die Energie in spiro-G2 wahrscheinlich nur über einen einzelnen Ast verteilt ist. Um dieser Fragestellung nachzugehen sind allerdings weiter Untersuchungen der Energie-Transfer-Prozesse durch z.B. zeitaufgelöste Emissions-Anisotropie-Messungen notwendig.
Zudem wurden stationäre Absorptionsspektroskopie-Messungen an den Radikal-Kationen von G1-G2, spiro-G1 und spiro-G2 und M durchgeführt, um die Elektron-Transfer-Eigenschaften von TAA-Triazol-Systemen zu untersuchen. Laut dieser Messungen erlaubt die Verwendung von Triazolen als Brückeneinheit in den Verbindungen in denen Elektron-Transfer-Prozesse untersucht wurden nur eine geringe elektronische Kommunikation zwischen den verknüpften Redox-Zentren. Allerdings ist die elektronische Kopplung genügend groß, um einen effektiven Elektronen-Transfer zwischen den Zentren zu ermöglichen.
Sowohl die Dyaden (Da und Db) und Triaden (T-Me, T-Cl und T-CN) als auch das Donor-Akzeptor Dendrimer D-A-G1 wurden in Bezug auf ihre Eigenschaften in photoinduzierten Elektron-Transfer-Prozessen untersucht, insbesondere die Faktoren, die die Prozesse von Ladungsseparation und Ladungsrekombination beeinflussen.
Der stationären Absorptionspektroskopie zur Foelge stellen die Absorptionsspekten der Kaskaden eine Superposition der Absorptionsspektren der einzelnen Chromophore dar. Demnach wechselwirken die einzelnen Chromophore in den Kaskaden im elektronischen Grundzustand nicht miteinander.
Des Weiteren wurden für die Kaskaden zeitaufgelöste ns- und fs-transiente Absorptionsspektroskopie-Messungen in Toluol und MeCN als Lösungsmittel durchgeführt. Diese Messungen zeigten, dass der Anregung bei einer Energie von 28200 cm-1 (355 nm) beziehungsweise 26300 cm-1 (380 nm) ein Elektron-Transfer vom TAA zum NDI folgt und ein ladungsgetrennter (CS) Zustand gebildet wird. Dabei wird in den Triaden zunächst ein ladungsgetrennter (CS1) Zustand populiert, in dem das NDI reduziert und das mittlere TAA oxidiert vorliegt. Nachfolgend wird duch einen zusätzlichen Elektronen-Transfer vom endständigen TAA zum mittleren TAA der CS2-Zustand generiert. Die energetisch niedrigsten CS-Zustände sowohl der Triaden als auch der Dyaden weisen Lebenzeiten auf der ns-Zeitskala auf. Im Gegensatz dazu besitzt der CS-Zustand von Db in MeCN nur eine Lebenszeit von etwa 43 ps auf. Zudem konnte hier die Bildung eines 3NDI-Zustands beobachtet werden. Alle anderen CS Zustände zeigen einen biexpontiellen Abfall, als Folge der Ausbildung sowohl eines 1CS- als auch eines 3CS-Zustands. In magnetfeld-abhängigen Messungen wurde für Db kein nennenswerter Effekt beobacht, was auf eine große Singulett-Triplett-Aufspaltung in den Dyaden zurückzuführen ist. Die Triaden besitzen eine deutlich kleinere Singulett-Triplett-Aufspaltung. Daher zeigte T-CN eine starke Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld, was zudem ein Beleg für die 1CS/3CS Zuordung darstellt. An dieser Stelle sind weitere Analysen der Singlet-Triplett-Dynamiken notwendig, die gegenwärtig durchgeführt werden.
Die Ladungsrekombination findet für alle Systeme in Toluol in der Marcus invertierten Region und in MeCN in der Marcus normalen Region statt. Allerdings konnte nur für Db ein ausgeprägter invertierte Region-Effekt beobachtet werden. In den Triaden sind die Geschwindigkeitskonstanten für die Ladungsrekombination in der normalen und in der invertierten Region wahrscheinlich nah am Scheitelpunkt der Marcus Parabel. Somit ist der invertierte Region-Effekt bei ihnen nur sehr gering ausgeprägt und die Geschwindigkeitskonstanten für die Ladungsrekombination befinden sich in derselben Größenordnung. Im Vergleich mit den Geschwindigkeitskonstanten für die Ladungsrekombination von Db führt die größere räumliche Distanz der beiden Ladungen im CS2-Zustand in den Triaden zu verringerten Geschwindigkeitskonstanten für die Ladungsrekombination von ca. einer Größenordnung.
Allerdings ist die Gesamtlebensdauer der CS-Zustände wichtiger als eine kleine Geschwindigkeitskonstante für die Ladungsrekombination. Gerade diese Lebensdauer kann maßgeblich durch die Population des 3CS-Zustandes verlängert werden. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die größere Singulett-Triplett-Aufspaltung in den Dyaden zu einer Lebensdauer des CS-Zustands von mehreren us führt, während sich die Lebensdauern der CS-Zustände in den Triaden im ns-Zeitbereich befinden. Des Weiteren konnte eine Lösungsmittelabhängigkeit der Singulett-Triplett-Aufspaltung in den Triaden beobachtet werden. Dies stellt einen vielversprechenden Ansatzpunkt für weitere Studien bezüglich der Singulett-Triplett-Aufspaltung dar.
Das Donor-Akzeptor-Dendrimer D-A-G1 zeigt ähnliche Eigenschaften wie die beiden Dyaden (Da und Db). Durch das deutliche Auftreten einer NDI-Radikal-Anion-Bande im transienten Absorptionsspektrum kann auch nach der Anregung von D-A-G1 die Bildung eines CS-Zustandes angenommen werden. Bemerkenswerterweise wurde die transiente Absorptionsbande des TAA-Radikal-Kation für D A G1 in Toluol nicht beobachtet. Eine Bixon-Jortner-Analyse lieferte eine elektronische Kopplung für D-A-G1, die der für die Dyaden (Da und Db) vergleichbar ist. Durch einen energetisch höherliegenden CS-Zustand in D-A-G1, der die Ladungsrekombination in der invertierten Region verlangsamt, ist die Geschwindigkeitskonstante für die Ladungsrekombination bei D-A-G1 kleiner als bei Db. In Kombination mit einer Singulett-Triplett-Aufspaltung vergleichbar mit der, der Dyaden, führt dies zu einer verlängerten Lebensdauer des CS-Zustands bis zu 14 us in verdünnter Lösung. Beide Charakteristiken führen zu verbesserten Eigenschaften von D A-G1 hinsichtlich einer möglichen Verwendung als System für die Energieumwandlung von Sonnenlicht. Daher stellt D-A-G1 eine vielversprechende Leitstruktur für weitere Untersuchungen bezüglich Lichtsammelsysteme dar. In einer zukünftigen Studie könnte das Donor-Akzteptor-Dendrimer zweiter Generation D-A-G2 von Interesse sein. Synthetisch wäre es über eine “Click-Reaktion” zwischen 13 und 8 realisierbar. Den cyclovoltammetrischen Untersuchungen von G1-G3 zur Folge, sollte in D-A-G2 ein abwährtsgerichteter Gradient an CS Zuständen vorliegen.
KW  - Sternpolymere
KW  - Triarylamine
KW  - Dendrimers
KW  - Energy Transfer
KW  - Electron Transfer
KW  - Transient Absorption
KW  - Fluorescence Upconversion
KW  - Dendrimere
KW  - Energie-Transfer
KW  - Elektron-Transfer
KW  - Transiente Absorption
KW  - Fluoreszenz Aufkonversion
KW  - Donorgruppe
KW  - Akzeptorgruppe
KW  - Elektronentransfer
KW  - Cascades
KW  - Kaskaden
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101866
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kaiser, Conrad
T1  - Donor-Bridge-Acceptor Systems with Varying Bridge Units for the Investigation of Intramolecular and Intermolecular Electron Transfer Processes
T1  - Donor-Brücke-Akzeptor Systeme mit variierenden Brückeneinheiten zur Untersuchung von intramolekularen und intermolekularen Elektronentransferprozessen
N2  - Within this study, the influence of the energetics of the bridge unit on electron transfer (ET) in an electrode-bridge-donor system was investigated in a monolayer environment. 
This was realized by specifically designing molecules containing ferrocene carboxylic ester donors and hydroquinone derivatives as bridge units and by using a gold electrode as acceptor. The energetics of the hydroquinone derivatives was adjusted by synthetically varying its substituents with the intention of changing the ET speed and mechanisms. Thereby the choice of the substituents was based on the literature known half-wave potentials of similar solvated hydroquinone derivatives and successively confirming them by conducting cyclic voltammetry on the actual bridge units synthesized. Then, a synthetic pathway, which accommodated the limited stability of the integrated terminal ferrocene carbon acid ester, was developed and successfully employed. This was followed by developing a procedure for preparing very dense and highly ordered monolayers from the target molecules on self-made gold microelectrodes. For the electrochemical investigations, several electrolyte solutions were tested until one, which ensured low susceptibility of the characterization setup towards slight changes of the electrode arrangement and measurement parameters while ensuring sufficient stability of the monolayers, was found. Furthermore, a new, commercially available potentiostat was established for the impedance measurements, which reduced the stress on the monolayers during the electrochemical characterizations in comparison to the equipment used in many former studies. Regarding the determination of the ET rates, the data analysis protocol for the impedance measurements developed by Creager et al. was slightly adapted to allow analysis of the investigated monolayers despite their non-ideal behavior. In addition, the influence of changes to the electrical parameters of the impedance scans was investigated to minimize the error in the acquired data.
The electrochemical analysis of the monolayers by conducting cyclic voltammetry on MA, MB and MC prepared from A, B and C confirmed the accomplishment of near ideal surface coverage and exceptionally high order. The surface coverages of MB and MC were, probably due to the space filled by the substituents on their bridge units, slightly lower than those of MA. Furthermore, the shape of the redox waves of the ferrocene carboxylic acid redox center in the voltammogram of MA showed a broadening and a shift towards higher potentials, which was assigned to electrostatic interference of oxidized terminal redox centers due to the especially dense packing. However, in the voltammogram of MB, no sharp redox waves of the bridge units, as predicted by the analysis of preliminary monolayers of the same type with low surface coverage, were present. This was attributed to the different and varying microenvironment of the bridge units deeply embedded within high-density monolayers. In detail, the different degree of shielding of each individual bridge unit from counter ions and solvent molecules probably resulted in the half wave potential being shifted to varying higher potentials, thus preventing the formation of sharp redox waves. In addition, electrostatic effects of oxidized bridge units could have enhanced this effect. This leads to the conclusion that the half-wave potentials of fully solvated bridge units determined by the cyclic voltammetry are not suited to predict the energetics of the oxidized bridge states embedded within the prepared high density monolayers.
Finally, the monolayers were successfully analyzed by impedance spectroscopy, which showed that the ET rate of MA is slightly higher than that of MB, and both are higher than that of MC. All of the values were, according to literature, in the expected region considering the length and degree of conjugation of the backbone. However, this picture is relativized when considering the targeted energetic alignment of the bridge units. According to the predicted very small energy gap between the oxidized states of the donor and the bridge unit in MB, a domination of the hopping mechanism should have led to a several orders of magnitude higher ET rate than in MA and MC. That this was not the case was attributed to the underestimation of the energy of the oxidized bridge states by utilizing cyclic voltammetry of the fully solvated bridge units (see above). According to the small differences of the ET rates the superexchange process was assumed to be the dominating mechanism not only in MA and MC but also in MB. However, even when shifted, the predicted energetic order of the oxidized bridge states should have led to a moderately decreasing ET rate from MB over MA to MC. The reason for the actual ET rate in MA being slightly higher than in MB might be found in the electrostatic interference of the terminal redox centers in MA (see above). 
In conclusion, the targeted model systems were prepared and the ET rates were successfully determined. However, the problems concerning the relative energetic positioning of the involved states within the dense monolayers prevented the specific alteration of the speed and mechanism of the ET. The reason for this can be probably found in the high density and order of the monolayers prepared within this work, which hamper the intrusion of the components of the electrolyte solutions. This various degree of stabilization for the individual bridge units by counter ions and solvent molecules leads to the energy of the oxidized bridge states being splitted and shifted towards higher potentials with respect to fully solvated bridge units. This effect might be further enhanced by electrostatics of neighboring already oxidized bridge states. All this makes the predetermination of the energetics of the embedded bridge units extremely difficult. On one hand, this behavior can be considered an obstacle and could probably be circumvented by designing molecules with bulky anchor groups and rigid molecular backbones, which would ensure perpendicular arrangement to the surface and full exposure of the bridge and terminal redox centers to the solvent molecules and counter ions. On the other hand, monolayers which completely embed integral redox centers might open up the opportunity to study the effects of microenvironments similar to those in solid state materials.

Regarding mixed valence compounds, the present study focuses on bistriarylamine radical cation F∙+, which contains the [3.3]paracyclophane bridge unit. The results were compared to the, except for the bridge units, identical literature known compounds G∙+ and N∙+ with [2.2]paracyclophane and p-xylene bridges respectively. This led to the conclusion that slightly different bridge units can induce substantial changes to the internal reorganization energy. This is especially noteworthy since it is usually believed that structural adaption limited to the redox centers taking part in the charge transfer dominates the internal reorganization energy. Furthermore, the application of the two-state Mulliken-Hush approach shows that compounds F∙+ and G∙+ have near identical couplings and similar thermal barriers. Confirmation of the latter finding as well as near identical thermal electron transfer rates for both compounds were provided via a cooperation project by Grampp et al. in which these values were directly extracted from temperature dependent electron paramagnetic resonance measurements. These results are quite unexpected since the “through-space” distances of the stacked pi-systems in the paracyclophane bridges differ significantly. They are well within the sum of the van der Waals radii in G∙+ and barely within them in compound F∙+. In addition, these findings weaken the common assumption of the ethylene bridges in G∙+ substantially adding to the electronic coupling, since then, in F∙+, due to its propylene linkers, the coupling should be substantially reduced. Finally, relying on the fact that the electronic couplings are only three times higher and the thermal electron transfer rates are only one order of magnitude higher for N∙+ than for compounds F∙+ and G∙+ shows that intermolecular electron transfer in solid state materials can remain efficient, if the interacting pi-systems stay within the sum of van der Waals radii of their carbons. 
Concerning the donor-acceptor dyads, the current investigation centers on triarylamine-cyclophane-naphtalene diimide (TAA-CP-NDI) compounds which display almost complete photoinduced charge separation. Furthermore, their singlet charge separated states show lifetimes of hundreds of nanoseconds, which is rarely found in such simple dyads. In the present case they can be attributed to the particular amount of electronic coupling V (on the order of 100 cm^–1), which is brought about by incorporation of the smallest model systems for pi-stacks, the CPs, together with the nodes on the NDI lowest unoccupied molecular orbital, which electronically decouples the central NDI from its nitrogen substituents. In agreement with studies of [2.2]- and [3.3]paracyclophane bridged mixed valence compounds (see above), the cycolphane bridged dyads show very similar electronic coupling when dealing with ground state processes like charge recombination. However, when investigating excited state processes, like charge separation in the TAA-CP-NDI dyads, one has to bear in mind that the CP orbitals are involved in the formation of intermediate states that likely possess charge transfer character. In this case, the [2.2]paracyclophane bridge obviously induces a stronger coupling than the [3.3]paracyclophane. Another interesting property of the dyads studied here is the substantial population of the triplet charge separated (CS) state of ca. one third regarding both CS states, which is brought about by singlet-triplet interconversion from the singlet CS state. Thus, the triplet CS state with a lifetime of several microseconds acts as a kind of buffer for the CS state before recombining to the ground state and, thus, leads to distinctly prolonged overall lifetimes of the charge separated states. Thus it can be concluded that the intersystem crossing and charge recombination (CR) processes of the CS states are governed by a delicate balance of a large electronic coupling V and a large exchange interaction 2J (both with regard to systems containing a through-space pathway). The latter appears to be induced by second order interaction with a local triplet state lying close in energy to the CS state. This balance results in slow CR- and singlet-triplet- interconversion rates, which differ only by one order of magnitude. Compared to the many NDI containing dyads studied so far, these features of the dyads studied here are, to the best of our knowledge, unique. Especially the combination of high quantum yield of charge separation, long lifetimes and high energy of the charge separated state make the investigated systems interesting for practical applications. Furthermore, the presented unraveling of the underlying mechanisms is of substantial value for the future design of dyads for practical applications regarding the implementation and adjustment of these favorable properties.
N2  - Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss der Veränderung der Energetik von Brückeneinheiten auf Elektronentransferprozesse in Donor-Brücke-Akzeptor Modellsystemen in einer Monolagenumgebung untersucht.
Dies wurde mittels speziell dafür entworfener Moleküle mit Ferrocencarbonsäureester Donoren und Hydrochinonderivaten als Brückeneinheiten und durch Verwendung einer Goldelektrode als Akzeptor verwirklicht. Die Energetik der Hydrochinonderivate wurde durch synthetische Variation der Substituenten mit der Absicht angepasst, die Geschwindigkeiten und die Mechanismen der Elektronentransferprozesse zu verändern. Dabei basierte die Wahl der Substituenten auf literaturbekannten Halbstufenpotentialen von ähnlichen solvatisierten Hydrochinonderivaten und anschließender Bestimmung der Halbstufen-potentiale der im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten solvatisierten Vorläufer der Brückeneinheiten. Dann wurde unter Berücksichtigung der eingeschränkten Stabilität des Ferrocencarbonsäureesters ein Syntheseplan entwickelt und erfolgreich angewendet. Anschließend wurde eine Vorgehensweise zur Herstellung von sehr dichten und hoch geordneten Monolagen aus den Zielmolekülen auf selbst hergestellten Mikroelektroden aus Gold erarbeitet. Ferner wurden verschiedene Elektrolyte getestet, um eine niedrige Empfindlichkeit des Messaufbaus in Bezug auf kleine Änderungen der Elektrodenanordnung und der Messparameter zu gewährleisten und gleichzeitig eine ausreichende Stabilität der Monolagen sicherzustellen. Des Weiteren wurde ein neuer, kommerziell erhältlicher Potentiostat für die Untersuchungen etabliert, der die Belastung für die Monolagen im Vergleich zu den Messapparaturen in vielen bisherigen Studien reduzierte. Bezüglich der Bestimmung der Elektronentransferraten wurde das von Creager et al. entwickelte Protokoll geringfügig erweitert, um die Monolagen trotz ihres nicht-idealen Verhaltens untersuchen zu können. Zusätzlich wurde der Einfluss der elektrischen Parameter der Impedanzmessungen untersucht, um den Fehler in den erfassten Daten zu minimieren.
Die elektrochemische Analyse der Monolagen mittels Cyclovoltammetrie bestätigte das Erreichen einer fast idealen Oberflächendeckung und einer außergewöhnlich hohen Ordnung. Die Oberflächendeckung von MB und MC war, wahrscheinlich aufgrund der raumfüllenden Substituenten der Brückeneinheiten, geringfügig niedriger als die von MA. Ferner zeigen die Redoxwellen im Cyclovoltammogramm von MA eine Verbreiterung und eine Verschiebung zu höheren Potentialen, was auf die elektrostatischen Wechselwirkungen der terminalen Redoxzentren als Folge der besonders dichten Packung zurückgeführt wurde. Bei der cyclovoltammetrischen Untersuchung von MB zeigten sich im Gegensatz zu Vorversuchen an Monolagen desselben Typs mit niedriger Oberflächenbelegung jedoch keine der aufgrund der vorhergesagten Energetik erwarteten, scharfen Redoxwellen der Brückeneinheiten. Dies lässt sich wahrscheinlich auf die unterschiedlichen Umgebungen der tief in die sehr dichten Monolagen eingebetteten Brückeneinheiten zurückführen. Im Detail verursachte vermutlich die unterschiedliche Abschirmung gegenüber den einzelnen Gegenionen und Solvensmolekülen eine Verschiebung der oxidierten Brückenzustände zu verschiedenen höheren Potentialen. Das führt zu der Schlussfolgerung, dass die mittels Cyclovoltammetrie bestimmten Halbstufenpotentiale von solvatisierten Brückeneinheiten nicht geeignet sind, um die Energetik der oxidierten Brückenzustände im Innern von sehr dichten Monolagen vorherzusagen.
Bei der Analyse der Monolagen mittels Impedanzspektroskopie zeigte sich, dass die Elektronentransferraten von MA geringfügig höher als die von MB und beide höher als die von MC sind. Im Einklang mit der Literatur befanden sich alle Werte unter Berücksichtigung der Länge und des Konjugationsgrads des Molekülrückrads in der erwarteten Region. Jedoch relativiert sich dieses Bild bei Berücksichtigung der beabsichtigten energetischen Anpassung der Brückeneinheiten. Aufgrund der vermeintlich nur geringfügig höheren Energie der Zustände der oxidierten Brücke und des oxidierten Donors in MB hätte ein Dominieren des „hopping“ Mechanismus zu einer um einige Größenordnungen höheren Elektronentransferrate als in MA und MC führen sollen. Dass dies nicht der Fall war, kann wahrscheinlich auf die Unterschätzung der oxidierten Brückenzustände durch die Bestimmung mittels Cyclovoltammetrie an den solvatisierten Brückeneinheiten zurückgeführt werden (siehe oben). Insgesamt kann aufgrund der eher geringen Unterschiede der Elektronentransferraten für MA, MB und MC von einem dominierenden „superexchange“ Mechanismus ausgegangen werden. Allerdings hätte, sogar bei einer Verschiebung der Potentiale, die vorhergesagte energetische Anordnung der oxidierten Brückenzustände zu einer sich geringfügig verringernden Elektronentransferrate von MB über MA zu MC führen müssen. Der Grund dafür, dass die tatsächliche Elektronentransferrate in MA geringfügig höher als in MB ist, liegt möglicherweise an der dichteren Packung und damit stärkeren elektrostatischen Interferenz der terminalen Redoxzentren in MA (siehe oben).
Schließlich wurden also die anvisierten Modellsysteme hergestellt und deren Elektronentransferraten erfolgreich bestimmt. Die Probleme mit der relativen energetischen Anordnung der Zustände der Molekülteile in den dichten Monolagen verhinderten allerdings die gezielte Veränderung der Geschwindigkeit und des Mechanismus des Elektronentransfers. Dies ist wahrscheinlich im Wesentlichen auf die hohe Dichte und Ordnung der im Rahmen dieser Arbeit präparierten Monolagen zurückzuführen, die ein Eindringen der Elektrolytbestandteile in die Monolagen hemmen. Dies führt zu unterschiedlichen Abständen der einzelnen Brückeneinheiten zu den Elektrolytbestandteilen und damit, aufgrund unterschiedlicher Abschwächung der Stabilisierung, zu einer Aufspaltung und Verschiebung des oxidierten Brückenzustandes zu höheren Potentialen. Des Weiteren könnte dieser Effekt durch elektrostatische Kräfte von benachbarten, bereits oxidierten Brückeneinheiten verstärkt werden. All dies macht die Vorhersage der Energetik von eingebetteten Brückeneinheiten extrem schwer. Auf der einen Seite kann dieses Verhalten als Hindernis angesehen werden, dass jedoch durch die Entwicklung von Molekülen mit sperrigen Ankergruppen und starren Molekülrückrädern, die eine Anordnung senkrecht zur Oberfläche und damit eine Exposition gegenüber den Elektrolytbestandteilen ermöglichen, vermieden werden könnte. Auf der anderen Seite könnten gerade solch dichte Monolagen eine Möglichkeit zur Erforschung von Einflüssen einer Umgebung ähnlich derer in Festkörpermaterialien bieten.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss verschieden großer Paracyclophane als Brückeneinheiten auf Elektronentransferprozesse in Donor-Brücke-Akzeptor Modellsystemen in Lösung untersucht.
In Bezug auf die gemischt valenten Verbindungen, konzentrierte sich die Studie auf Bistriarylaminradicalkation F∙+, welches über eine [3.3]Paracyclophan Brückeneinheit verfügt. Die Ergebnisse wurden mit den bis auf die Brückeneinheiten identischen literaturbekannten Verbindungen G∙+ und N∙+ mit [2.2]Paracyclophan bzw. p-Xylen Brücken verglichen. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass bereits sehr kleine Veränderungen der Brückeneinheiten bedeutende Änderungen der internen Reorganisationsenergie bewirken können. Das ist besonders bemerkenswert, da allgemein angenommen wird, dass fast ausschließlich die strukturelle Anpassung der Redoxzentren die Größe der internen Reoranisationsenergie bestimmt. Ferner zeigte die Anwendung des Mulliken-Hush-Ansatzes für zwei Zustände, dass Verbindung F∙+ eine nahezu gleich große Kopplung und eine ähnliche thermische Barriere wie G∙+ aufweist. Dies wurde im Rahmen eines Kooperationsprojekts von Grampp et al. bestätigt, bei dem entsprechende Werte sowie fast identische thermische Elektrontransferraten direkt aus temperaturabhängigen Elektronenspinresonanzmessungen extrahiert wurden. Das ist bemerkenswert, da sich die Entfernungen der gestapelten pi-Systeme in den Paracyclophanbrückeneinheiten stark unterscheiden. Sie sind deutlich innerhalb der Van der Waals Radien der integralen Kohlenstoffe in G∙+  und nur gerade noch innerhalb in Verbindung F∙+. Ferner schwächen diese Erkenntnisse die allgemeine Annahme, dass die Ethylenbrücken in G∙+  stark zur elektronischen Kopplung beitragen, da unter dieser Annahme in F∙+, wegen der Propylenbrücken, die Kopplung deutlich geringer ausfallen müsste. Dass die Kopplung nur dreimal höher und die thermischen Elektrontransferraten nur eine Größenordnung höher für N∙+  sind als für F∙+  und G∙+, zeigt schließlich, dass intermolekularer Elektronentransfer in Festkörpermaterialien sehr effizient sein kann. Dies gilt insbesondere, wenn sich van der Waals Radien der Kohlenstoffe der interagierenden gestapelten pi-Systeme überlappen.
Hinsichtlich der Donor-Akzeptor Dyaden, liegt der Fokus auf Triarylamin-Cyclophan-Naphthalin Diimide (TAA-CP-NDI) Verbindungen, die nahezu vollständige photoinduzierte Ladungstrennung zeigen. Des Weiteren zeigen deren ladungsgetrennte Zustände Lebenszeiten von Hunderten von Nanosekunden, was selten für solch einfache Dyaden ist. Im aktuellen Fall kann dies auf die Höhe der elektronischen Kopplung V (ca. 100 cm^–1) zurückgeführt werden. Diese kann vor allem auf die Integration der kleinsten Modellsysteme für pi-stacks, die CPs und die Knoten im niedrigsten unbesetzten Molekülorbital des NDI, die das Zentrum des NDI von seinen Stickstoffsubstituenten entkoppelt zurückgeführt werden. In Übereinstimmung mit den Studien über [2.2]- und [3.3]Paracyclophanbrücken beinhaltende, gemischt valente Verbindungen (siehe oben), weisen die hier untersuchten paracyclophanverbrückten Dyaden eine sehr ähnliche Kopplung auf, wenn es sich um Grundzustandsprozesse wie Ladungsrekombination handelt. Wenn allerdings Prozesse im angeregten Zustand, wie die Ladungstrennung in den TAA-CP-NDI Dyaden, betrachtet werden, muss berücksichtigt werden, dass die CP Orbitale an der Entstehung von Zwischenzuständen beteiligt sind, die wahrscheinlich Ladungstransfercharakter besitzen. In diesem Fall, ermöglicht das [2.2]Paracyclophan offensichtlich eine stärkere Kopplung als das [3.3]Paracyclophan. Eine weitere interessante Eigenschaft der hier untersuchten Dyaden ist die hohe Population des ladungsgetrennten Triplettzustands von etwa einem Drittel bezogen auf beide ladungsgetrennten Zustände, die durch die Singulett-Triplett-Umwandlung vom landungsgetrennten Singulettzustand erfolgt. Folglich agiert der Triplettzustand mit einer Lebenszeit von einigen Mikrosekunden als eine Art Puffer für den ladungsgetrennten Zustand, bevor eine Rekombination in den Grundzustand stattfindet und daher zu einer stark verlängerten Lebenszeit der gesamten ladungsgetrennten Zustände führt. Daher kann geschlussfolgert werden, dass das intersystem crossing und die Ladungsrekombinationsprozesse der ladungsgetrennten Zustände durch ein empfindliches Gleichgewicht von großer elektronischer Kopplung und großer Austauschwechselwirkung 2J (beides in Bezug auf Systeme mit einem Wechselwirkungspfad durch den Raum) bestimmt werden. Die letztere wird vermutlich durch eine Wechselwirkung zweiter Ordnung mit dem lokalen Triplettzustand, der energetisch nah am ladungsgetrennten Zustand liegt, bedingt. Diese Balance resultiert in langsamen Ladungsrekombinations- und Singulett-Triplett-Umwandlungsraten, die sich nur um eine Größenordnung unterscheiden. Verglichen mit den vielen bisher untersuchten Dyaden, die NDI beinhalten, sind diese Eigenschaften der hier untersuchten Dyaden, soweit mir bekannt, einzigartig. Vor allem die Kombination aus hoher Quantenausbeute des ladungsgetrennten Zustands, die langen Lebenszeiten und die ausreichende Energie des ladungsgetrennten Zustands machen das untersuchte System interessant für praktische Anwendungen. Des Weiteren ist die Aufschlüsselung der zugrunde liegenden Mechanismen von bedeutendem Wert für das zukünftige Design von Dyaden für praktische Anwendungen betreffs der Integration und Anpassung dieser vorteilhaften Eigenschaften.
KW  - Elektronentransfer
KW  - Femtosekundenspektroskopie
KW  - Laserspektroskopie
KW  - Impedanzspektroskopie
KW  - Monoschicht
KW  - transient spectroscopy
KW  - electrochemistry
KW  - napthalene diimide
KW  - triarylamine
KW  - ferrocene
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-97614
ER  - 
TY  - THES
A1  - Laug, Roderich
T1  - Funktionsaufklärung von CYR61 und CTGF in mesenchymalen Stammzellen und Lungenendothelzellen
T1  - Functional examination of CYR61 and CTGF in mesenchymal stem cells and endothelial lung cells
N2  - Cystein rich protein 61 (CYR61/CCN1) und Connective tissue growth factor (CTGF/CCN2) stellen aufgrund ihrer Multifunktionalität zwei sehr interessante Vertreter aus der derzeit sechs Mitglieder umfassenden Familie der CCN-Proteine (CCN- CYR61/CCN1, CTGF/CCN2, NOV/CCN3, WISP1-3/CCN4-6) dar. Seit der Entdeckung von CYR61 und CTGF konnten die überlappenden, aber meist nicht redundanten zellspezifischen Effekte in verschiedenen Zellsystemen nachgewiesen werden. Die Einflüsse auf zahlreiche Prozesse wie Proliferation und Migration, aber auch Angiogenese und das Überleben von Zellen lassen eine weitreichende Bedeutung im Zusammenhang mit vielen Entwicklungsprozessen vermuten, so auch der des muskuloskelettalen Systems und der Entwicklung der Lunge.
In der vorliegenden Arbeit wurden für die nähere Charakterisierung von CYR61 und CTGF humane mesenchymale Stammzellen (hMSC) und die humane primäre Lungenendothelzelllinie HPMEC-ST1.6R (human pulmonary microvascular endothelial cells) gewählt. Beide Zellsysteme sind für die Untersuchung der Funktionsfähigkeit in den verschiedenen Kompartimenten bestens geeignet. So ist die Zelllinie HPMEC-ST1.6R den primären Endothelzellen, im Vergleich mit anderen in der Forschung eingesetzten Zelllinien,  in Bezug auf spezifische Oberflächenmarker am nächsten. Mesenchymale Stammzellen bilden als multipotente Zellen das Rückrat des muskuloskelettalen Systems und sind an der Homöostase des menschlichen Stütz- und Bewegungsapparates maßgeblich beteiligt.
Um experimentell nutzbare Konzentrationen an rekombinanten Proteinen zu erhalten, wurde ein Baculovirus-Expressionsystems gewählt. Nach der erfolgreichen Klonierung der CTGF/Fc-Tag Sequenz in einen Expressionsvektor konnte dies auch durch Produktion in SF21-Insektenzellen erreicht und erstmalig rekombinantes CTGF/Fc von hoher Reinheit gewonnen werden. Allerdings konnte eine beständige Funktionsfähigkeit der aufgereinigten Proteine mittels eines Proliferationstestes nachfolgend nur bedingt bestätigt werden.
Für die weitere Versuchsplanung, einer Untersuchung der Auswirkung von rekombinantem CTGF (rCTGF) bzw. CYR61 (rCYR61) auf die Zielzellen, musste zunächst die zelleigene ctgf bzw. cyr61 Expression herunterreguliert werden, um einen endogenen Störeffekt auszuschließen. Durch den Einsatz spezifischer shRNAs konnte ctgf/CTGF sowohl in den hMSC-, wie auch den HPMEC-ST1.6R-Zielzellen deutlich herunterreguliert und nachfolgend eine markant reduzierte Proliferation beobachtet werden. Ein Effekt für die Regulation von cyr61 blieb aus.
In dieser Arbeit wurden anschließend erstmals mittels Microarray-Analysen Veränderungen im Genexpressionsmuster der ctgf herunterregulierten hMSC- bzw. Lungenendothelzellen gegenüber Kontrollzellen untersucht. Des Weiteren war die Auswirkung einer Behandlung von ctgf herunterregulierten Zielzellen mit rCTGF gegenüber unbehandelten Kontrollzellen von Interesse. Für beide Zellsysteme konnten signifikante Genregulationen nach der Behandlung mit CTGF spezifischen shRNAs gegenüber den Kontrollzellen detektiert werden, mit interessanten Genclustern im Bereich der TGF-beta (transforming growth factor ß) Signalgebung, sowie der fokalen Adhäsion (z.B. VEGF). Eine Behandlung mit rCTGF hingegen zeigte gegenüber den unbehandelten Kontrollzellen in der Auswertung der Microarray-Analyse keine signifikante Veränderung im Genexpressionsmuster.
In dieser Arbeit wurden, neben einer effektiven Gewinnung von rekombinantem CTGF und der Herunterregulation der endogenen ctgf Expression, wichtige Erkenntnisse zur Biologie von CTGF (und CYR61) in mesenchymalen Stammzellen hMSC und der Lungenendothelzelllinie HPMEC-ST1.6R erlangt. Die erhaltenen Microarray-Daten bieten eine fundierte Grundlage für zahlreiche fortführende Untersuchungen.
N2  - Cystein rich protein 61 (CYR61/CCN1) and connective tissue growth factor (CTGF/CCN2) are two very interesting members of the CNN family (CCN- CYR61/CCN1, CTGF/CCN2, NOV/CCN3, WISP1-3/CCN4-6) consisting of six members so far. Since its discovery the overlapping, but mostly non-redundant effects of CYR61 and CTGF were shown in different cell systems. Both proteins are linked to many different processes like proliferation and migration, but also angiogenesis and survival. They seem to be involved in very fundamental biological processes, amongst other the development of the musculoskeletal system and the lung and were analyzed in this study.
To distinguish the two proteins CYR61 and CTGF, primary human mesenchymal stem cells (hMSC) and a human pulmonary endothelial cell line (HPMEC-ST1.6R) were chosen. Both cell systems are suited very well for getting more information about the function in these different compartments. So the cell line HPMEC-ST1.6R is more related to primary endothelial cells in reference to the cell surface markers, compared to other cell lines used for experimental research. Mesenchymal stem cells form the backbone of the musculoskeletal system and are involved in the homeostasis of this complex system.
Getting adequate concentrations of recombinant proteins for the upcoming experiments a baculovirus expression system was chosen. After successful cloning of the CTGF/Fc-Tag sequence into an expression vector, recombinant CTGF/Fc of high purity was obtained for the first time, produced in SF21 insect cells. However the stable functioning of the proteins was partly confirmed by proliferation tests.
To study the effect of recombinant CTGF or CYR61 in further experiments, the endogenous ctgf or cyr61expression had to be downregulated to avoid negative effects. By using specific shRNAs ctgf/CTGF has been downregulated in hMSC as well as HPMEC-ST1.6R cells and subsequently a reduced proliferation was observed. No effect was detected for the regulation of cyr61.
In this study for the first time changes in regulation of gene expression after downregulation of ctgf in hMSC and HPMEC-ST1.6R cells were studied by microarray analyses. Furthermore to discover the effect of treating ctgf downregulated cells with recombinant CTGF compared to control cells was another aim of this experimental series. For both cell systems, significant gene regulations were detected after treatment with CTGF specific shRNAs with interesting gene cluster for TGFß-signaling as well as focal adhesion (e.g. VEGF). In contrast, no significant change in gene regulation was detected by microarray analysis after treating the target cells with rCTGF compared to non-treated cells.
In summary, besides the effective preparation of rCTGF and the marked downregulation of ctgf gene expression, this study provides fundamental information about CTGF and its biology in hMSC and HPMEC-ST1.6R cells, as well. Based on the numerous detected gene regulations in the microarray analyses the study provides a basis for further experiments.
 
KW  - Connective Tissue Growth Factor
KW  - CYR61
KW  - CTGF
KW  - Mesenchymzelle
KW  - Endothelzelle
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-98711
ER  - 
TY  - THES
A1  - Waag, Thilo
T1  - Funktionalisierung von Nanodiamanten für Wirkstofftransport und Knochenersatzmaterialien
T1  - Functionalization of nanodiamonds for drug delivery and alternate bone material
N2  - Ziel der vorliegenden Arbeit ist das Design, die Synthese und das anschließende Testen von Nanodiamant-Wirkstoff-Konjugaten. Dafür müssen zunächst Nanodiamanten mit geeigneten Linkersystemen funktionalisiert werden, um
anschließend verschiedene pharmazeutische Wirkstoffe auf der Diamantoberfläche zu immobilisieren. Die Wirksamkeit der so angebundenen Inhibitoren auf die verschiedenen Erreger muss anschließend in vitro und in vivo getestet werden.
Auch die Art der Aufnahme der Nanodiamanten in die verschiedenen Zellen muss untersucht werden. Dazu sollen Fluoreszenzfarbstoffe, wie z.B. Oregon Green 488, auf der Diamantoberfläche immobilisiert werden.
N2  - Because of its low toxicity and rich surface chemistry nanodiamond is well suited for the application in the fields of biology and medicine. The aim of this work is the development of various nanodiamond conjugates as drug delivery systems and components of bone replacement materials.

Before the immobilization of drugs the nanodiamond particles need to be functionalized with acid labile linker systems, in this case hydrazones. After entering the acidic cell compartments the drug is released. First of all, the linkers are isolated as diazonium-tetrafluoroborates and after that immobilized on mechanically deagglomerated nanodiamond. The drugs can be bound to the hydrazine linker systems. In this work several drugs are immobilized to the nanodiamond surface via hydrazine linker systems and the drug release under acidic conditions is analyzed. Further compounds are immobilized for the investigation for future bone replacement materials, namely dyes and growth factors.
KW  - Nanodiamant
KW  - nanomateriales
KW  - nanotherapeutics
KW  - Diamant
KW  - Nanostrukturiertes Material
KW  - Wirkstofffreisetzung
KW  - Knochenersatz
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-94597
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hörl, Christian
T1  - Synthese und Reaktivität von heteroaromatisch-substituierten Borolen und Diborenen
T1  - Synthesis and reactivity of heteroaromatic-substituted boroles and diborenes
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit konnten erstmals die Eigenschaften von 1-heteroaromatisch-substituierten, freien Borolen des Typs R′BC4Ph4 untersucht werden. Der Rest R′ wurde unter Verwendung von bekannten Synthesemethoden (Zinn-Bor-Austausch, Salzeliminierung) variiert und die Borolderivate 45 (R′ = Thien-2-yl), 46 (R′ = 5-Methylfuran-2-yl), 47 (R′ = 5-Trimethylsilylthien-2-yl) und 49 (R′ = N-Methylpyrrol-3-yl) erfolgreich synthetisiert und vollständig charakterisiert (Multikern-NMR-Spektroskopie, Elementaranalyse, Röntgenstrukturanalyse am Einkristall).
Des Weiteren ist es gelungen, die ersten Bis(borole) mit den heteroaromatischen Brückeneinheiten 2,5-Thienyl (54) und 5,5′-Bithiophen (55) mittels Zinn-Bor-Austausch-Reaktion darzustellen. Die Molekülstruktur von 54 bestätigt dabei nicht nur die erfolgreiche Synthese, sondern auch die coplanare Ausrichtung der drei Ringsysteme zueinander. Anhand von cyclovoltammetrischen Messungen konnte gezeigt werden, dass in diesem -konjugierten Akzeptor-Donor-Akzeptor-System (54) eine ausgeprägte Kommunikation zwischen den beiden Borzentren vorliegt. Dadurch ergeben sich vier irreversible Reduktionsereignisse, die ausgehend von 54, dem Monoanion [54]•−, dem Dianion [54]2−, dem Trianion [54]3− und dem Tetraanion [54]4− zugewiesen werden können.
Das Verhalten von 54 gegenüber Reduktion wurde außerdem nicht nur elektrochemisch, sondern auch mithilfe unterschiedlicher Reduktionsmittel analysiert. Die Reduktion mit einem halben Äquivalent des Zwei-Elektronen-Reduktionsmittels Magnesiumanthracen führte dabei zu dem vollständig delokalisierten Monoanion Mg0.5[54], welches ESR-spektroskopisch charakterisiert werden konnte. Die Reduktion mit einem Äquivalent Magnesiumanthracen bzw. zwei Äquivalenten des Ein-Elektronen-Reduktionsmittels CoCp*2 lieferte das Dianion [54]2−, das für den Fall von [CoCp*2]2[54] im Festkörper studiert werden konnte. Die Molekülstruktur belegt, dass es sich bei Dianion [54]2− nicht um ein diradikalisches, sondern ein diamagnetisches, chinoides System handelt, welches auch als Bipolaron beschrieben werden kann.
Der Einfluss von heteroaromatischen Substituenten wurde außerdem im Hinblick auf die Synthese neuartiger Basen-stabilisierter Diborene untersucht. Durch reduktive Kupplung geeigneter NHC-stabilisierter Dihalogenborane 77 und 78 (NHC = IMe) konnten die beiden Thienyl-substituierten Diborene 81 und 82 in sehr guten Ausbeuten (81: 82%; 82: 89%) dargestellt werden. UV-Vis-spektroskopische Untersuchungen und quantenchemische Rechnungen belegen, dass das HOMO der Diborene durch die -Bindung der BB-Bindung repräsentiert wird.
Im Gegensatz zu den bekannten Aryl-substituierten Diborenen (73, 74) zeigt die Festkörperstruktur von 82 eine coplanare Ausrichtung der Heterocyclen relativ zur BB-Bindungsebene. Dadurch wird die sterische Abschirmung der reaktiven BB-Doppelbindung vermindert und weitere Reaktivitätsuntersuchungen in Analogie zur Reaktivität von CC-Doppelbindungen können durchgeführt werden.
N2  - In this thesis, the properties of 1-heteroaromatic-substituted, non-annulated boroles with a R′BC4Ph4 framework have been studied for the first time. The variation of the R′ substituent was achieved with established synthetic procedures (tin-boron exchange, salt elimination) and the borole derivatives 45 (R′ = thien-2-yl), 46 (R′ = 5-methylfuran-2-yl), 47 (R′ = 5-trimethylsilylthien-2-yl) and 49 (R′ = N-methylpyrrol-3-yl) were successfully synthesized and characterized (multinuclear NMR spectroscopy, elemental analysis, single-crystal X-ray diffraction).
In addition, the isolation of the first bis(borole)s with the heteroaromatic spacer units 2,5-thienyl (54) and 5,5′-bithiophene (55) via tin-boron exchange reaction was accomplished. The solid-state structure of 54 confirms not only the successful synthesis, but also the coplanar arrangement of the three five-membered rings with respect to each other. The measurement of a cyclic voltammogram for this compound revealed the existence of distinct communication between the two boron atoms in this acceptor-donor-acceptor system (54). Thus, the four irreversible reduction events of 54 were assigned to the formation of the monoanion [54]•−, the dianion [54]2−, the trianion [54]3− and the tetraanion [54]4−.
Moreover, the reduction behavior of 54 was analyzed chemically with a selection of diverse reducing agents. The reduction with half an equivalent of the two-electron reducing agent magnesium anthracene results in the fully delocalized monoanion Mg0.5[54], which was characterized by EPR spectroscopy. The dianion [54]2− is accessible via reduction with one equivalent of magnesium anthracene or two equivalents of the one-electron reducing agent CoCp*2. In the case of [CoCp*2]2[54], the molecular structure revealed that the dianion is not a diradical, but rather has a diamagnetic, quinoidal structural motif across the thiophene spacer, which is characteristic of so-called bipolarons.
The effect of heteroaromatic substituents was also explored with respect to the synthesis of novel base-stabilized diborenes. After reductive coupling of appropriate NHC-stabilized dihalogen-boranes 77 and 78 (NHC = IMe) the thienyl-substituted diborenes 81 and 82 were isolated in excellent yields (81: 82%; 82: 89%). UV-vis spectroscopy and DFT calculations independently substantiate that the HOMO of the diborenes is represented by the -bond of the BB double bond (Figure 4).
In contrast with the common aryl-substituted diborenes (73, 74), the solid-state structure of 82 exhibits a coplanar alignment of the heterocyclic substituents with respect to the BB bond plane. Thus, the steric shielding of the reactive BB double bond is significantly reduced and enables further reactivity studies in analogy to the well-known reactivity of CC double bonds.
KW  - Borole
KW  - Borheterocyclen
KW  - Heteroaromaten
KW  - Diboren
KW  - Boryl Anion
KW  - Heteroaromaten
KW  - Bor
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-94391
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TY  - THES
A1  - Jarzina, Sebastian Oskar
T1  - Assessment of systemic toxicity in vitro using the Adverse Outcome Pathway (AOP) concept: nephrotoxicity due to receptor-mediated endocytosis and lysosomal overload and inhibition of mtDNA polymerase-ɣ   as case studies
T1  - Bewertung der systemischen Toxizität in vitro unter Verwendung des Adverse Outcome Pathway (AOP)-Konzepts: Nephrotoxizität infolge rezeptorvermittelter Endozytose und lysosomaler Überlastung sowie Hemmung der mtDNA-Polymerase-ɣ als Fallstudien
N2  - The US National Research Council (NRC) report "Toxicity Testing in the 21st Century: A Vision and a strategy (Tox21)", published in 2007, calls for a complete paradigm shift in tox-icity testing. A central aspect of the proposed strategy includes the transition from apical end-points in in vivo studies to more mechanistically based in vitro tests. To support and facilitate the transition and paradigm shift in toxicity testing, the Adverse Outcome Pathway (AOP) concept is widely recognized as a pragmatic tool. As case studies, the AOP concept was ap-plied in this work to develop AOPs for proximal tubule injuries initiated by Receptor-mediated endocytosis and lysosomal overload and Inhibition of mtDNA polymerase-. These AOPs were used as a mechanistic basis for the development of in vitro assays for each key event (KE). To experimentally support the developed in vitro assays, proximal tubule cells from rat (NRK-52E) and human (RPTEC/TERT1) were treated with model compounds. To measure the dis-turbance of lysosomal function in the AOP – Receptor-mediated endocytosis and lysosomal overload, polymyxin antibiotics (polymyxin B, colistin, polymyxin B nonapeptide) were used as model compounds. Altered expression of lysosomal associated membrane protein 1/2 (LAMP-1/2) (KE1) and cathepsin D release from lysosomes (KE2) were determined by im-munofluorescence, while cytotoxicity (KE3) was measured using the CellTiter-Glo® cell via-bility assay. Importantly, significant differences in polymyxin uptake and susceptibility be-tween cell lines were observed, underlining the importance of in vitro biokinetics to determine an appropriate in vitro point of departure (PoD) for risk assessment. Compared to the in vivo situation, distinct expression of relevant transporters such as megalin and cubilin on mRNA and protein level in the used cell lines (RPTEC/TERT1 and NRK-52E) could not be con-firmed, making integration of quantitative in vitro to in vivo extrapolations (QIVIVE) neces-sary. Integration of QIVIVE by project partners of the University of Utrecht showed an im-provement in the modelled biokinetic data for polymyxin B. To assess the first key event, (KE1) Depletion of mitochondrial DNA, in the AOP – Inhibition of mtDNA polymerase-, a RT-qPCR method was used to determine the mtDNA copy number in cells treated with mod-el compounds (adefovir, cidofovir, tenofovir, adefovir dipivoxil, tenofovir disoproxil fumarate). Mitochondrial toxicity (KE2) was measured by project partners using the high-content imaging technique and MitoTracker® whereas cytotoxicity (KE3) was determined by CellTiter-Glo® cell viability assay. In contrast to the mechanistic hypothesis underlying the AOP – Inhibition of mtDNA polymerase-, treatment with model compounds for 24 h resulted in an increase rather than a decrease in mtDNA copy number (KE1). Only minor effects on mitochondrial toxicity (KE2) and cytotoxicity (KE3) were observed. Treatment of RPT-EC/TERT1 cells for 14 days showed only a slight decrease in mtDNA copy number after treatment with adefovir dipivoxil and tenofovir disoproxil fumarate, underscoring some of the limitations of short-term in vitro systems. To obtain a first estimation for risk assessment based on in vitro data, potential points of departure (PoD) for each KE were calculated from the obtained in vitro data. The most common PoDs were calculated such as the effect concentra-tion at which 10 % or 20_% effect was measured (EC10, EC20), the highest no observed effect concentration (NOEC), the lowest observed effect concentration (LOEC), the benchmark 10 % (lower / upper) concentrations (BMC10, BMCL10, BMCU10) and a modelled non-toxic con-centration (NtC). These PoDs were then compared with serum and tissue concentrations de-termined from in vivo studies after treatment with therapeutic / supratherapeutic doses of the respective drugs in order to obtain a first estimate of risk based on in vitro data. In addition, AOPs were used to test whether the quantitative key event relationships between key events allow prediction of downstream effects and effects on the adverse outcome (AO) based on measurements of an early key event. Predictions of cytotoxicity from the mathematical rela-tionships showed good concordance with measured cytotoxicity after treatment with colistin and polymyxin b nonapeptide. The work also revealed uncertainties and limitations of the ap-plied strategy, which have a significant impact on the prediction and on a risk assessment based on in vitro results.
N2  - Der Bericht des US National Research Council (NRC) „Toxicity Testing in the 21st Century: A Vision and a strategy (Tox21)“, der 2007 veröffentlicht wurde, sieht einen vollständigen Paradigmenwechsel in der Toxizitätsprüfung vor. Ein zentraler Aspekt des Berichts beinhaltet den Übergang von apikal ermittelten Endpunkten für Toxizität in in vivo Studien, zu mehr mechanistisch basierten in vitro Tests. Um den Übergang zu erleichtern und den Paradigmen-wechsel in der Prüfung auf Toxizität zu unterstützen, wird das Adverse Outcome Pathway (AOP) Konzept als pragmatisches Instrument weithin anerkannt. In dieser Arbeit wurde das AOP Konzept angewandt, um neue Ansätze zur Prüfung auf systemische Toxizität zu unter-suchen. Dazu wurden AOPs für proximale Tubulusschäden, die durch lysosomale Überladung und Inhibition der mtDNA Polymerase- initiiert werden, entwickelt. Diese AOPs wurden als mechanistische Grundlage für die Entwicklung von mechanistisch relevanten in vitro Tests für jedes Schlüsselereignis (KE) verwendet. Um die entwickelten in vitro Tests experimentell zu unterstützen, wurden proximale Tubuluszellen aus der Ratte (NRK-52E) und aus dem Men-schen (RPTEC/TERT1) mit Hilfe von Modellsubstanzen behandelt. Zur Messung der Störung der lysosomalen Funktion im AOP – Rezeptor-vermittelte Endozytose und lysosomale Überla-dung wurden Polymyxin-Antibiotika (Polymyxin B, Colistin, Polymyxin B Nonapeptid) als Modellsubstanzen verwendet. Die gestörte Expression des lysosomal assoziierten Membran-proteins 1/2 (LAMP 1/2) (KE1) und die Cathepsin D Freisetzung (KE2) wurden mittels Im-munofluoreszenztechnik bestimmt und die Zytotoxizität (KE3) mittels CellTiter-Glo® Zellvia-bilitätstest gemessen. Zwischen den Zelllinien wurden signifikante Unterschiede in der Auf-nahme von Polymyxinen und der Empfindlichkeit beobachtet, was die Bedeutung der in vitro Biokinetik zur Definition eines geeigneten Ausgangspunktes für die Risikobewertung unter-streicht. 
Im Vergleich zur in vivo Situation, konnte eine eindeutige Expression von relevanten Trans-portern wie Megalin und Cubilin auf mRNA und Proteinebene in den verwendeten Zelllinien (RPTEC/TERT1 und NRK-52E) nicht gezeigt werden, was eine zusätzliche Integration von quantitativen in vitro zu in vivo Extrapolationen (QIVIVE) unabdingbar macht. Die Integrati-on von QIVIVE durch Projektpartner der Universität Utrecht zeigte eine Verbesserung der modellierten biokinetischen Werte für Polymyxin B. Zur Bestimmung des ersten Schlüsseler-eignisse, (KE1) Depletion von mitochondrialer DNA, im AOP – Hemmung der mitochondria-len DNA Polymerase-, wurde nach Behandlung mit Modellsubstanzen (Adefovir, Cidofovir, Tenofovir, Adefovirdipivoxil, Tenofovirdisoproxil Fumarat) eine RT-qPCR Methode verwen-det, um die mtDNA Kopienzahl zu bestimmen. Die mitochondriale Toxizität (KE2) wurde mittels eines hochauflösenden Bildgebungsverfahrens und MitoTracker® vom Projektpartner des Fraunhofer Institut in Hamburg gemessen, während die Zytotoxizität (KE3) mittels Cel-lTiter-Glo® Zellviabilitätstest ermittelt wurde. Entgegen der mechanistischen Hypothese des AOPs – Hemmung der mitochondrialen DNA Polymerase-, führte eine 24 h Behandlung mit den Modellsubstanzen eher zu einer Erhöhung als zu einer Verringerung der mtDNA-Kopienzahl (KE1). Auch wurden nur geringe Auswirkungen auf die mitochondriale Toxizität (KE2) und Zytotoxizität (KE3) beobachtet. Die Behandlung von RPTEC/TERT1 Zellen über einen Zeitraum von 14 Tagen zeigte eine leichte Abnahme der mtDNA Kopienzahl nach Be-handlung mit Adefovirdipivoxil und Tenofovirdisoproxil Fumarat, was den Bedarf an zeit-aufgelösten Daten und Einschränkungen von kurzfristigen in vitro Systemen unterstreicht. Um eine erste Einschätzung für die Risikobewertung basierend auf in vitro Daten zu erhalten, wurden aus den erhaltenen in vitro Daten für jedes KE mögliche Ausgangspunkte (Points of Departure (PoD)) berechnet. Dazu wurden gängige in vitro PoDs berechnet, wie die Effekt-konzentration, bei der 10 % bzw. 20 % Effekt gemessen wurden (EC10, EC20), die höchste Konzentration ohne Wirkung (no observed effect Konzentration (NOEC)), die niedrigste Konzentration mit beobachteter Wirkung (lowest observed effect Konzentration (LOEC)), die Benchmark 10 % (unterer / obere) Konzentrationen (BMC10, BMCL10, BMCU10) und eine modellierte nicht-toxische Konzentration (NtC). Diese wurden dann mit Serum- bzw. Ge-webskonzentrationen aus in vivo Studien verglichen, die nach Gabe therapeutischer / suprathe-rapeutischer Dosen gemessen wurden. Zusätzlich wurde überprüft, ob es mit Hilfe von quanti-tativen Beziehungen zwischen Schlüsselereignissen möglich ist, basierend auf der Bestimmung früher Schlüsselereignisse nachfolgende Effekte vorherzusagen. Diese Untersuchungen zeig-ten eine gute Korrelation der aus den mathematischen Beziehungen modellierten Daten mit den tatsächlich gemessenen Werten der Zytotoxizität der Modellsubstanzen Colistin und Po-lymyxin B-Nonapeptid. Im Rahmen der Arbeit wurden auch Unsicherheiten und Limitationen der Strategie deutlich, die maßgebliche Auswirkungen auf die Vorhersage und auf die Risiko-bewertung basierend auf in vitro Resultaten haben.
KW  - Adverse outcome pathway (AOP)
KW  - Nephrotoxicity
KW  - In vitro testing
KW  - QIVIVE
KW  - Risk Assessment
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-264842
ER  - 
TY  - THES
A1  - Meininger, Markus
T1  - Calcium hydroxide as antibacterial implant coating
T1  - Calciumhydroxid als antibaterielle Implantatbeschichtung
N2  - In modern medicine hip and knee joint replacement are common surgical procedures. However, about 11 % of hip implants and about 7 % of knee implants need re-operations. The comparison of implant registers revealed two major indications for re-operations: aseptic loosening and implant infections, that both severely impact the patients’ health and are an economic burden for the health care system. To address these problems, a calcium hydroxide coating on titanium was investigated in this thesis. Calcium hydroxide is a well-known antibacterial agent and used with success in dentistry. The coatings were applied with electrochemically assisted deposition, a versatile tool that combines easiness of process with the ability to coat complex geometries homogeneously. The pH-gradient during coating was investigated and showed the surface confinement of the coating process. Surface pre-treatment altered the surface morphology and chemistry of the titanium substrates and was shown to affect the morphology of the calcium hydroxide coatings. The influence of the coating parameters stirring speed and current pulsing were examined in various configurations and combinations and could also affect the surface morphology. A change in surface morphology results in a changed adhesion and behavior of cells and bacteria. Thus, the parameters surface pre-treatment, stirring speed and current pulsing presented a toolset for tailoring cellular response and antibacterial properties. Microbiological tests with S. aureus and S. epidermidis were performed to test the time-dependent antibacterial activity of the calcium hydroxide coatings. A reduction of both strains could be achieved for 13 h, which makes calcium hydroxide a promising antibacterial coating. To give insight into biofilm growth, a protocol for biofilm staining was investigated on titanium disks with S. aureus and S. epidermidis. Biofilm growth could be detected after 5 days of bacterial incubation, which was much earlier than the 3 weeks that are currently assumed in medical treatment. Thus, it should be considered to treat infections as if a biofilm were present from day 5 on. The ephemeral antibacterial properties of calcium hydroxide were further enhanced and prolonged with the addition of silver and copper ions. Both ionic modifications significantly enhanced the bactericidal potential. The copper modification showed higher antibacterial effects than the silver modification and had a higher cytocompatibility which was comparable to the pure calcium hydroxide coating. Thus, copper ions are an auspicious option to enhance the antibacterial properties. Calcium hydroxide coatings presented in this thesis have promising antibacterial properties and can easily be applied to complex geometries, thus they are a step in fighting aseptic loosening and implant infections.
N2  - Der Fortschritt in der modernen Medizin ist so weit, dass Hüft- und Kniegelenkersatz mit Implantaten heutzutage Standardoperationen sind. Allerdings kommt es in circa 11 % des Hüftgelenkersatzes und 7 % des Kniegelenkersatzes zu nicht zufriedenstellenden Ergebnissen und Revisionen sind nötig. Der Vergleich von Implantationsregistern zeigte zwei Hauptindikatoren für Revisionen: aseptische Lockerung und Implantatinfektionen, welche die Gesundheit der Patienten stark beeinträchtigen und eine wirtschaftliche Belastung für das Gesundheitssystem darstellen. Um diese Probleme anzugehen, wurde Calciumhydroxid auf Titan als Beschichtung aufge- bracht und in dieser Arbeit untersucht. Calciumhydroxid ist ein bekanntes antibakterielles Material und wird erfolgreich in der Zahnheilkunde eingesetzt. Die Beschichtungen wurden mit elektrochemisch gestützter Abscheidung aufgebracht, da diese Methode einen einfachen Prozess mit der Möglichkeit vereint, komplexe Geometrien homogen zu beschichten. In dieser Arbeit wurde der pH-Gradient während der Beschichtung untersucht und zeig- te die Beschränkung des Beschichtungsprozesses auf die direkte Oberfläche der Probe. Eine Vorbehandlung der Titansubstrate veränderte die Morphologie und die Chemie der Oberflä- chen und dadurch auch die Morphologie der Calciumhydroxidbeschichtung. Der Einfluss der Beschichtungsparameter Rührgeschwindigkeit und Pulsen des Stroms wurden in zahlreichen Konfigurationen und Kombinationen getestet und konnte ebenfalls die Oberflächenmorphologie verändern. Die Oberflächenmorphologie wiederum beeinflusst die Adhäsion und das Verhalten von Zellen und Bakterien. Deshalb sind die Parameter Oberflächenvorbehandlung, Rührge- schwindigkeit und Pulsen des Stroms ein Instrument für das Einstellen einer angepassten Zellantwort und der antibakteriellen Eigenschaften. Mikrobiologische Tests mit S. aureus und S. epidermidis wurden unternommen, um die Zeitabhängigkeit der antibakteriellen Aktivität auf Calciumhydroxidbeschichtungen zu bestimmen. Eine Reduktion beider Stämme konnte nach 13 h erreicht werden, was Calciumhydroxid zu einer erfolgversprechenden antibakteriellen Beschichtung macht. Um einen Einblick in das Wachstum von Biofilmen zu geben, wurde ein Protokoll zur Biofilm- Färbung auf Titanplättchen mit S. aureus und S. epidermidis entwickelt. Biofilm-Wachstum konnte nach 5 Tagen Bakterien-Inkubation detektiert werden, was sehr viel früher war als die 3 Wochen, die aktuell bei der Behandlung von Implantatinfektionen angenommen werden. Folglich muss schon nach 5 Tagen darüber nachgedacht werden, Behandlungsmethoden gegen einen Biofilm anzuwenden. Die kurzzeitigen antibakteriellen Eigenschaften von Calciumhydroxid konnten durch den Zusatz von Silber- und Kupferionen weiter verbessert und verlängert werden. Beide Ionen erhöhten die antibakterielle Wirkung signifikant. Die Kupfermodifikation zeigte dabei einen größeren antibakteriellen Effekt als die Silbermodifikation und war gleichzeitig besser zell- verträglich. Die Zytokompatibilität der Kupfermodifikation lag auf dem Niveau der reinen Calciumhydroxidbeschichtungen. Deshalb sind Kupferionen eine vielversprechende Möglichkeit für eine weitere Verbesserung der antibakteriellen Eigenschaften. Die in dieser Arbeit vorgestellten Calciumhydroxidbeschichtungen haben ein großes Potential als antibakterielle Oberflächen und können sehr leicht auch auf komplizierte Geometrien aufgebracht werden. Deshalb können sie ein entscheidender Baustein bei der Vermeidung von aseptischer Lockerung und Implantatinfektionen sein.
KW  - Calciumhydroxid
KW  - Implantat
KW  - Beschichtung
KW  - antibakteriell
KW  - antibacterial
KW  - implant
KW  - coating
KW  - calciumhydroxide
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-261122
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hahn, Lukas
T1  - Novel Thermoresponsive Hydrogels Based on Poly(2-oxazoline)s and  Poly(2-oxazine)s and their Application in Biofabrication
T1  - Neuartige Thermoresponsive Hydrogele Basierend auf Poly(2-oxazoline) und Poly(2-oxazine) und die Anwendung in der Biofabrikation
N2  - In this work, the influence of aromatic structures on drug encapsulation, self-assembly and hydrogel formation was investigated. The physically crosslinked gelling systems were characterized and optimized for the use in biofabrication and applied in initial (bio)printing experiments.
Chapter I: The cytocompatible (first in vitro and in vivo studies) amphiphile PMeOx-b-PBzOx-b- PMeOx (A-PBzOx-A) was used for the solubilization of PTX, schizandrin A (SchA), curcumin (CUR), niraparib and HS-173.
Chapter II: Compared to the polymers A-PPheOx-A, A-PBzOx-A and A-PBzOzi-A, only the polymer A-PPheOzi-A showed a reversible temperature- and concentration-dependent inverse thermogelation, which is accompanied by a morphology change from long wormlike micelles in the gel to small spherical micelles in solution. The worm formation results from novel interactions between the hydrophilic and hydrophobic aromatic polymer blocks. Changes in the hydrophilic block significantly alter the gel system. Rheological properties can be optimized by concentration and temperature, which is why the hydrogel was used to significantly improve the printability and stability of Alg in a blend system.
Chapter III: By extending the side chain of the aromatic hydrophobic block, the inverse thermogelling polymer A-poly(2-phenethyl-2-oxazoline)-A (A-PPhenEtOx-A) is obtained. Rapid gelation upon cooling is achieved by inter-correlating spherical micelles. Based on ideal rheological properties, first cytocompatible bioprinting experiments were performed in combination with Alg. The polymers A- poly(2-benzhydryl-2-oxazoline)-A (A-PBhOx-A) and A-poly(2-benzhydryl-2-oxazine) (A-PBhOzi-A) are characterized by two aromatic benzyl units per hydrophobic repeating unit. Only the polymer A- PBhOzi-A exhibited inverse thermogelling behavior. Merging micelles could be observed by electron microscopy. The system was rheologically characterized and discussed with respect to an application in 3D printing.
Chapter IV: The thermogelling POx/POzi system, in particular the block copolymer PMeOx-b- PnPrOzi, was used in different applications in the field of biofabrication. The introduction of maleimide and furan units along the hydrophilic polymer part ensured additional stabilization by Diels-Alder crosslinking after the printing process.
N2  - In dieser Arbeit wurde der Einfluss von aromatischen Strukturen auf die Wirkstoffeinkapselung, der Selbstassemblierung und die Hydrogelbildung untersucht. Die physikalisch vernetzten Gele wurden für den Einsatz in der Biofabrikation charakterisiert und optimiert und fanden ersten (Bio)druckversuchen Anwendung.
Kapitel I: Das zytokompatible (erste in vitro und in vivo Studien) Amphiphil PMeOx-b-PBzOx-b- PMeOx (A-PBzOx-A) eignet sich hervorragend für die Solubilisierung von PTX, Schizandrin A (SchA), Curcumin (CUR), Niraparib und HS-173.
Kapitel II: Ausschließlich das Polymer A-PPheOzi-A zeigt im Vergleich zu den Polymeren A-PPheOx- A, A-PBzOx-A und A-PBzOzi-A eine reversible temperatur- und konzentrationsabhängige inverse Thermogelierung, welche durch eine Morphologie-Änderung von langen wurmartigen Mizellen im Gel zu kleinen sphärischen Mizellen in Lösung begleitet wird. Die Wurmbildung entsteht durch neuartige Wechselwirkungen zwischen den hydrophilen Polymerblöcken und den hydrophoben aromatischen Polymerblöcken. Veränderungen der hydrophilen Blöcke verändert signifikant das Gelsystem. Die rheologischen Eigenschaften können durch Konzentration und Temperatur optimiert werden, weshalb in einem Blendsystem die Druckbarkeit und Stabilität von Alginat signifikant verbessert wurde.
Kapitel III: Durch Verlängerung der Seitenkette des aromatischen hydrophoben Blocks erhält man das inverse thermogelierende Polymer A-Poly(2-phenethyl-2-oxazolin)-A (A-PPhenEtOx-A). Die schnelle Gelierung bei Abkühlung wird durch miteinander korrelierende sphärische Mizellen erzielt. Auf Grundlage idealer rheologischer Eigenschaften, konnten erste zytokompatible Biodruckversuche in Kombination mit Alginat durchgeführt werden. Die Polymere A-Poly(2-benzhydryl-2-oxazolin)-A (A- PBhOx-A) und A-Poly(2-benzhydryl-2-oxazine) (A-PBhOzi-A) sind durch zwei aromatische Benzyl- Einheiten pro hydrophober Wiederholungseinheit charakterisiert. Nur das Polymer A-PBhOzi-A zeigt inverses thermogelierendes Verhalten. Durch Elektronenmikroskopie konnten verschmelzende Mizellen beobachtet werden. Das System wurde hinsichtlich einer Anwendung im Bereich des 3D- Drucks rheologisch charakterisiert und diskutiert.
Kapitel IV: Das thermogelliernde POx/POzi System, insbesondere das Blockcopolymer PMeOx-b- PnPrOzi, wurde in weiterführenden Studien im Bereich der Biofabrikation genutzt. Durch die Einführung von Maleimide- und Furan-Einheiten entlang des hydrophilen Polymerteil konnte eine zusätzliche Stabilisierung durch Diels-Alder-Vernetzung nach dem Druckprozess realisiert werden.
KW  - Polymer Science
KW  - Poly(2-oxazoline)s
KW  - Bioinks
KW  - Hydrogels
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-271299
ER  - 
TY  - THES
A1  - Shan, Junwen
T1  - Tailoring Hyaluronic Acid and Gelatin for Bioprinting
T1  - Modifikation von Hyaluronsäure und Gelatine für die Anwendung im Biodruck
N2  - In the field of biofabrication, biopolymer-based hydrogels are often used as bulk materials with defined structures or as bioinks. Despite their excellent biocompatibility, biopolymers need chemical modification to fulfill mechanical stability.
In this thesis, the primary alcohol of hyaluronic acid was oxidized using TEMPO/TCC oxidation to generate aldehyde groups without ring-opening mechanism of glycol cleavage using sodium periodate. For crosslinking reaction of the aldehyde groups, adipic acid dihydrazide was used as bivalent crosslinker for Schiff Base chemistry. This hydrogel system with fast and reversible crosslinking mechanism was used successfully as bulk hydrogel for chondrogenic differentiation with human mesenchymal stem cells (hMSC). 
Gelatin was modified with pentenoic acid for crosslinking reaction via light controllable thiol-ene reaction, using thiolated 4-arm sPEG as multivalent crosslinker. Due to preservation of the thermo responsive property of gelatin by avoiding chain degradation during modification reaction, this gelatin-based hydrogel system was successfully processed via 3D printing with low polymer concentration. Good cell viability was achieved using hMSC in various concentrations after 3D bioprinting and chondrogenic differentiation showed promising results.
N2  - Im Bereich der Biofabrikation werden Hydrogele auf Biopolymerbasis häufig als Bulkmaterial mit definierten Strukturen oder als Biotinten verwendet. Obwohl Biopolymere eine hervorragende Biokompatibilität aufweisen, müssen sie jedoch chemisch modifiziert werden, um gewisse mechanische Stabilität für den Einsatz in der Biofabrikation zu erreichen. In dieser Arbeit wurde der primäre Alkohol der Hyaluronsäure mit Hilfe der TEMPO/TCC-Oxidation oxidiert, um Aldehydgruppen zu generieren. Dabei findet kein Ringöffnungsmechanismus statt, wie er bei der Glykolspaltung mit Natriumperiodat vorkommt. Für die Vernetzungsreaktion der Aldehydgruppen wurde Adipinsäuredihydrazid als bivalenter Vernetzer für die Bildung der Schiffschen Base verwendet. Dieses Hydrogelsystem mit schnellem und reversiblem Vernetzungsmechanismus wurde erfolgreich als Bulkhydrogel für die chondrogene Differenzierung mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) erfolgreich eingesetzt. Als Mikrogele könnte das System in künftigen Forschungsarbeiten auf seine Verdruckbarkeit getestet werden.
Gelatine wurde mit Pentensäure modifiziert, um die Vernetzungsreaktion über eine lichtkontrollierbare Thiol-En-Reaktion durchzuführen, bei der thioliertes 4-armiges sPEG als multivalenter Vernetzer verwendet wurde. Da die thermoresponsive Eigenschaft der Gelatine erhalten blieb, indem der Kettenabbau während der Modifizierungsreaktion vermieden wurde, konnte dieses Hydrogelsystem auf Gelatinebasis erfolgreich im 3D-Druck mit niedriger Polymerkonzentration verarbeitet werden. Mit hMSC in verschiedenen Konzentrationen wurde nach dem 3D-Biodruck eine gute Zellviabilität erreicht und die chondrogene Differenzierung zeigte vielversprechende Ergebnisse.
KW  - Hydrogel
KW  - Biomaterial
KW  - Biofabrication of hydrogels
KW  - Biomaterial
KW  - Chemical modification of biopolymers
KW  - Chondrogenic differentiation
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-298256
ER  -