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Assessing particle deposition in a representative in vitro model of the rat respiratory tract
(2014)
The aim of this thesis was to develop an in vitro model (IVR) of the rat lung for the purpose of investigating the deposition of drug particles in the rat airways. The model attempted to account for the affect of drug product characteristics and physiological parameters on deposition in the lungs. In addition, the model outputs were compared with in vivo lung deposition results from live rats and in silico predictions using published computer model of lung deposition in pre-clinical species.
Initial work focussed on developing an aerosol exposure system capable of dosing small rodent to a range of airborne test materials. The system consists of two main parts; a fluidised bed aerosol generator and connection of the generator output to a nose only exposure chamber capable of accommodating 12 small animals in a single layer. In addition, an aerodynamic particle spectrometer (APS) was installed for continuously measuring the size distribution and airborne concentration of aerosol particles generated in the exposure chamber. System validation showed acceptable degree of variation of the test material tested, Fluorescent Microspheres (FMS) throughout the exposure chamber (CV < 15.0%). Particle size (MMAD ± GSD) using the APS was shown to be stable throughout the exposure periods.
The IVR model developed in this project was based on a number of euthanased (n=7), female Sprague-Dawley rats (weight: 372 ± 56 g), which underwent high-resolution micro-CT scans. The physical model consisted of five sub sections; Extra-Thoracic region containing the snout and nasophyarynx, trachea-bronchial region containing the trachea, bronchi, and bronchioles. All sections of the model were attached to one another in numerical order and housed within a containment unit. At the rear end of the cast, a flexible diaphragm was attached in order to collect the fraction of inhaled particles exiting the TB section and possibly reaching the lung, referred to as the Post-TB section.
A study was conducted to assess the influence of inhalation parameters such as the breathing frequency and tidal volume on total and regional dose distribution using FMS as test material. The major finding of this study was the demonstration of the model sensitivity to changes in breathing parameters especially respiratory frequency, where the data showed increased deposition in the peripheral regions of the model with decreased respiratory frequency. Other studies assessed the effect of particle characteristics on deposition on the IVR model, such as particle size, dose increase and formulation changes.
The results assessing particle size effect showed a slightly higher deposition levels for the 4µm sized particles versus 2µm sized particles in the head region; 90.8 ± 3.6% and 88.2 ± 6.6%. However, this difference did not reach statistical significance (P> 0.05) probably due to the polydispersity of aerosolised FMS particles. In addition, the regional deposition analysis showed an increased lung peripheral deposition with the smaller particles. In addition, the model was shown to be sensitive to changes in formulation composition mediated by inclusion of MgSt.
The next stage of work was to validate the model in terms of comparison with lung deposition for in vivo rats. For lung deposition comparison, the absolute amount deposited in the IVR lung model (expressed as µg/kg) was shown to have a reasonably strong correlation with in vivo lung concentration measures (µg/kg); R2= 0.66, P < 0.05. Compounds were predicted well and within 2-folds of the measured lung deposition values. However, knowing the variability in biological systems and the multiple components required to estimate lung doses, predictions within 2-fold of the measured values would seem reasonable
In terms of comparison with in silico model predictions using MPPD, similar deposition levels were noted between the two models, particularly when the data was expressed as percentage of total particles inhaled. The data showed the highest deposition levels were noted in the head region (> 80%) and less than 5.0% deposition for the peripheral lung fractions.
With regards to using the IVR model to assess the relationship between dose, particle size and efficacy, an in vivo study using FP with different particle sizes (2.0 and 4.0 µm) but same doses ( 100 and 1000 µg/kg). This study demonstrated that exposure of rat to FP powder resulted in a dose-dependent inhibition of neutrophils in BAL fluids. However, a clear difference in neutrophils suppression was demonstrated for equivalent doses but different particle sizes of FP, where the smaller FP particles (2.0 µm) induced a greater level of neutrophils suppression in comparison with larger FP particles (4.0 µm). In addition, a reasonably good correlation for the relationship between lung deposition in the IVR model and a neutrophils suppression level was demonstrated. Furthermore this data support the hypothesis that regional deposition is an important determinant in efficacy. Therefore, this suggests that the IVR model may be a useful as a tool to describe in vivo efficacy with in vitro data. However, further studies should be conducted to evaluate the validity of this model and relationship.
The IVR model has a number of important limitations. First, the model is based on scans up to generation four of the rat respiratory tract as this represented the limits of the micro-CT scanning technology at the time of this study. Therefore deposition in the deeper region of the lung may not be reflected precisely in the IVR model. Second, the regional deposition data generated using the model tended to show an overestimation of deposition in head region and an underestimation of deposition in the peripheral regions of the lung, in comparison with in vivo lung deposition data. Third, the current model does not take into account lung clearance. However, the amount of the drug present in the in vivo lungs is dependent on numerous physiological processes such as dissolution, passive or active absorption into the systemic circulation, binding to lung tissue and mucociliary clearance. Consequently, the results generated using this IVR model for drug molecules with high lung clearance rate should be treated with some caution.
Future work extending this research could go in a number of directions. In this research, a representative model of the rat respiratory tract was constructed from analysis of imaging data from a number of euthanised Sprague-Dawley rats. This model represented the “average respiratory tract” in terms of dimensions of Sprague-Dawley rats. However, there is considerable variability in the airway dimensions between rats. This variability encompasses a number of factors such as the strains of rats, sex and age, and disease state. Thus, it may be possible to produce a small number of airway models to represent small and large rats and scaled to represent the extrathoracic and peripheral regions based on literature reports of their dimensions in different rat populations. This approach will then enable the effect of intersubject airway dimensions for different rat populations on aerosol deposition to be thoroughly examined.
In addition, due to the limitation of the micro-CT technology used to construct the physical IVR model, detailed morphology only up to generation 4 were captured. However, recent advances in MRI technology, such as the use of in situ-MRI based scanning technology have enabled rat airway morphometry to be extended to 16 airway generation. This coupled with improvements in the resolutions of rapid-prototyping process means it may be possible to construct a rat model that reflects the in vivo lung morphology more accurately, and thus enable greater understanding of the link between aerosol deposition and airway geometry.
In conclusion, a model cast of the rat lung was developed and validated to allow the deposition of inhaled particles in the rat lung to be investigated. The model may be used to estimate the lung concentration in vivo rats in preference to exposure concentration measurements based on filter samples which have been shown to be a poor indicator of the lung concentration immediately after exposure. In addition, the model has the potential to be used along with live rats in an inhalation rig in pulmonary pharmaceutics research and may facilitate in development of inhaled formulations to target specific regions within the lung as well as screening of inhaled drugs in preclinical setting.
The present work describes the synthesis of sila-venlafaxine, disila-bexarotene, disila-AG-045572 (disila-CMPD1), a series of silicon-based allosteric modulators of muscarinic receptors, and a partial synthesis of sila-gabapentin. Crystal structure data of rac-sila-venlafaxine hydrochloride, (R)-sila-venlafaxine hydrobromide, bexarotene, disila-bexarotene, and disila-AG-045572 (disila-CMPD1) are included. Studies on the biological activities of sila-venlafaxine and of silicon-based allosteric modulators of muscarinic receptors are discussed. The Si-2,4,6-trimethoxyphenyl (Si-2,4,6-TMOP) moiety is described as a novel, acid-labile protecting group in organosilicon chemistry. The synthesis of chlorotris(chloromethyl)silane and tris(chloromethyl)methoxysilane is described.
Bei dem 2009 erstbeschriebenen Hefepilz C. auris handelt es sich um einen Keim, welcher aufgrund von nosokomialen Ausbrüchen und hohen Antimykotikaresistenzen Aufmerksamkeit erregte. Ziel dieser Arbeit war es in Deutschland gesammelte Isolate bezüglich vorhandener Resistenzen und Mutationen in Resistenzregionen zu testen und das epidemiologische Geschehen hierzulande mit dem globalen Auftreten des Keims zu vergleichen. Bezüglich der durchgeführten Resistenztestungen wiesen die CLSI-konformen Testarten (YO-Platten und E-Test-Verfahren) meist vergleichbare Ergebnisse auf. Für das EUCAST-konforme Mikrodilutionstestverfahren kann aufgrund eines stark ausgeprägten paradoxen Wachstumseffekts nur Anidulafungin, nicht jedoch Caspofungin, zur Testung empfohlen werden. Insgesamt erwiesen sich 25 % der Isolate als Caspofungin-resistent. Zwei Isolate zeigten eine Resistenz gegenüber allen getesteten Echinocandinen (16,7 %). Die höchsten Resistenzraten wurden gegenüber Fluconazol (92 %) beobachtet. Zwei der Isolate zeigten sich gegenüber Voriconazol resistent (16,7 %). Für Amphotericin B konnte eine Resistenzrate von 33,3 % festgestellt werden. Für die Wirkstoffe Posaconazol und Itraconazol erwiesen sich alle untersuchten Isolate als sensitiv. Dies konnte auch mit Ausnahme eines Isolates für 5-Flucytosin beobachtet werden. Die durch eine Sanger-Sequenzierung erhaltenen Sequenzen der Gene FKS1 und ERG11 wurden auf Mutationen untersucht, welche zu Aminosäuresubstitutionen im Gesamtprotein führten. Hierbei ergaben sich für zwei Isolate (16,7 %) Mutationen im FKS1-Hot Spot 1 (Typ S639F und S639Y). Beide Isolate zeigten sich in den AFST Echinocandin-resistent. Bei allen untersuchten Isolaten lagen Mutationen im ERG11 Gen vor. So fand sich in 8 Fällen eine Mutation des Typen Y132F (66,7 %), in 3 Fällen der Typ K143R (25 %) und in einem Fall der Typ F126L (8,3 %). Im Rahmen eines anderen Projekts wurde mit den hier gewonnenen PCR-Produkten ein WGS durchgeführt, um die Isolate durch SNPs-Vergleich mit Referenzstämmen phylogenetischen Clades zuzuordnen. Dabei konnten 91,7 % der Isolate dem südasiatischen Clade I und ein Isolat dem südafrikanischen Clade III zugeordnet werden. Aufgrund der geringen epidemiologischen Fallzahlen in Deutschland scheint gegenwärtig keine Bedrohung von C. auris auszugehen. Berichte aus anderen Ländern konnten allerdings eine rasche, ausbruchartige Zunahme von C. auris Fällen nachweisen. So kann nur angeraten werden das infektiologische Geschehen in Deutschland weiterhin zu beobachten.
Synthese siliciumhaltiger Wirkstoffe und Synthese-Bausteine des 4-Silapiperidin-Typs:
Im Rahmen der systematischen Untersuchungen unseres Arbeitskreises zur C/Si-Bioisosterie wurde für bereits bekannte σ-Rezeptor-Antagonisten eine neue verbesserte Syntheseroute entwickelt, wobei die Endprodukte jeweils in einer sechsstufigen Synthese dargestellt und als entsprechende Hydrochloride isoliert wurden.
Ein weiteres Teilprojekt der vorliegenden Arbeit betraf die Entwicklung einer Syntheseroute zur Darstellung von Sila-L-741,626, dem Sila-Analogon des selektiven D2-Dopamin-Rezeptorantagonisten L-741,626.
In einem weiteren Teilprojekt der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer, säurefreier Weg zu 4 Silapiperidin-Bausteinen mit NH-Funktion entwickelt, der eine Staudinger-Reaktion als ringschließenden Syntheseschritt beinhaltet. Am Beispiel einer Modellverbindung, die in zwei alternativen jeweils fünfstufigen Synthesen ausgehend von Dichlordiphenylsilan dargestellt und als Hydrochlorid isoliert wurde, konnte die neue Syntheseroute erfolgreich ausgearbeitet werden. Die anhand der Modellverbindung erfolgreich getestete Syntheseroute konnte im Folgenden auf ein Zielmolekül angewendet werden, das anstatt einer inerten Phenyl-Gruppe die säurelabilere 4-Methoxyphenyl- (MOP-) Gruppe trägt.
Synthese siliciumhaltiger Wirkstoffe und Synthese-Bausteine des 4-Silacyclohexan-1-on- und (4-Silacyclohexan-1-yl)amin-Typs:
Im Zusammenhang mit unseren systematischen Untersuchungen zur C/Si-Bioisosterie wurde Sila-pramiverin dargestellt. Dies gelang in einer vierstufigen Synthese, ausgehend von Dichlordiphenylsilan. Im Zuge dieser Synthese fand Brown’s DCME-Prozess Anwendung, um in einer Eintopf-Reaktion das entsprechende 4-Silacyclohexan-1-on und daraus durch anschließende reduktive Aminierung mit Isopropylamin Sila-pramiverin erstmals darzustellen.
Analog zur Synthese von Sila-pramiverin konnten ebenfalls Synthese-Bausteine des 4 Silacyclohexan-1-on-Typs sowie des (4-Silacyclohexan-1-yl)amin-Typs unter Verwendung der 4 Methoxyphenyl- (MOP ), 2,6-Dimethoxyphenyl- (DMOP-) bzw. 2,4,6-Trimethoxyphenyl- (TMOP-) Schutzgruppe dargestellt werden.
In einer Machbarkeitsstudie wurde zudem unter selektiver Abspaltung der 4 Methoxyphenyl- (MOP ), 2,6-Dimethoxyphenyl- (DMOP-) bzw. 2,4,6-Trimethoxyphenyl- (TMOP-) Schutzgruppe der phenylierten 4 Silacyclohexan-1-one mittels Chlorwasserstoff das entsprechende Chlorsilan dargestellt.
Synthese siliciumhaltiger Synthese-Bausteine des 4-Silatetrahydropyran-Typs:
Eine fast gänzlich unerforschte Klasse siliciumhaltiger Heterocyclen stellen 4 Silatetrahydropyrane dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte zunächst anhand einer Modellstudie das 4,4-Diphenyl-4-silatetrahydropyran dargestellt werden. Die für die Modellverbindung ausgearbeitete Syntheseroute konnte schließlich auf die Synthese der 4 Methoxyphenyl- (MOP-) und 2,6-Dimethoxyphenyl- (DMOP-) substituierten 4 Silatetra¬hydropyrane übertragen werden. Diese konnten jeweils in einer vierstufigen Synthese dargestellt werden. Lediglich die Synthese der 2,4,6-Trimethoxyphenyl- (TMOP-) substituierten 4 Silatetra¬hyropyrane gelang aufgrund der Instabilität der mesylierten Zwischenstufen nicht.
Aufbauend auf dem Konzept der C/Si-Bioisosterie beschreibt die vorliegende Arbeit die Synthese und biologische Charakterisierung siliciumorganischer Wirkstoffe sowie Beiträge zur Synthese von siliciumorganischen Synthese-Bausteinen unter Verwendung der Silicium-Schutzgruppen MOP (4-Methoxyphenyl), DMOP (2,6-Dimethoxyphenyl) und TMOP (2,4,6-Trimethoxyphenyl). Die entsprechenden Zielverbindungen sowie alle isolierten Zwischenstufen wurden durch NMR-Spektroskopie in Lösung (1H, 13C, 29Si) und Elementaranalyse (C, H, N) bzw. HRMS-Analytik (ESI) charakterisiert. Zusätzlich konnte in einigen Fällen eine strukturelle Charakterisierung durch Einkristall-Röntgenstrukturanalyse realisiert werden.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese siliciumhaltiger Analoga (C/Si-Austausch) der Wirkstoffe Panamesine, Niceritrol und Hepronicate sowie die Darstellung dieser Wirkstoffe selbst. Darüber hinaus wurden siliciumhaltige Derivate eines selektiven N-Typ-Calciumkanal-Antagonisten sowie siliciumhaltige Synthesebausteine vom allgemeinen Formeltyp Si(CH2X)4 dargestellt (X = SAc, SH, OAc, OH, Br, I, N3). Die Charakterisierung der Zielverbindungen sowie aller auftretenden Zwischenstufen erfolgte durch NMR-Spektroskopie (1H, 13C, 15N, 19F, 29Si) und elementaranalytische Untersuchungen.
Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease of the brain. Today AD is the most common form of dementia in elderly people. It is clinically characterized by a progressive loss of memory and later on a decline in higher cognitive functions. The pathological hallmarks of AD, consistently demonstrated in brain tissue of patients, are extracellular amyloid-β (Aβ plaques, intracellular neurofibrillary tangles of tau protein and a profound loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses and ultimatively neurons. Estimates foresee that more than 80 million individuals will be affected by the disease by 2040 due to population aging worldwide underlining the high medical need for this disease. In order to find suitable drugs for the treatment of AD, experimental model systems are utilized to explore potential drug candidates. Such an experimental system is hippocampal long-term potentiation (LTP), which is widely accepted as an in vitro model of cellular processes fundamentally involved in memory formation. The present thesis focuses on the establishment and validation of LTP in rat hippocampal slices to characterize memory enhancing drugs as a potential treatment of AD. First, a multi-slice recording system was set up enabling stable measurements of LTP for up to seven hours from several slices simultaneously (chapter 2). Then, distinct protocols to induce early and late CA1 LTP, resembling short-term and long-term memory, were established. They were validated by addressing the hallmarks accepted for these forms of LTP: protein-synthesis independence and NMDA receptor dependence without contribution of L-VDCCs for early LTP, as opposed to protein-synthesis and NMDA / L-VDCCs dependence for late LTP (chapter 3). As in AD patients a loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses is obvious, these validated forms of LTP were used to study drugs potentially being able to enhance cholinergic and/or glutamatergic neuronal functions. The effects of two drugs exclusively interfering with cholinergic function on LTP were tested: the α4β2 nicotinic acetylcholinergic receptor agonist TC-1827 (chapter 4) and the acetylcholine esterase inhibitor donepezil (chapter 5). Both drugs were found to increase early LTP, but to not affect late LTP. Furthermore, two drugs exclusively interfering with glutamatergic function were analyzed: the metabotropic glutamate 5 receptor postive allosteric modulator ADX-47273 (chapter 3) and the phosphodiesterase (PDE) 9A inhibitor BAY 73-6691 (chapter 5). ADX-47273 increased late LTP, but had no effect on early LTP, whereas BAY 73-6691 showed enhancing effects on both early and late LTP and even transformed early into late LTP. The same effects like for the PDE9A inhibitor were observed for the α7 nicotinic acetylcholinergic receptor partial agonist SSR180711 (chapter 4), which interferes with both, cholinergic and glutamatergic function. Thus, drugs facilitating glutamatergic function or both glutamatergic and cholinergic function seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function. To evaluate whether this finding also proves true for experimental circumstances mimicking decreased cognitive function together with pathophysiology in AD patients, the ability of the drugs to ameliorate LTP impaired by soluble Aβ oligomer was analyzed (chapter 6). Soluble Aβ oligomers, also referred to as amyloid-β derived diffusible ligands (ADDLs), are thought to a putative cause of AD. Here, they were demonstrated to impair early and late LTP to different extents by exclusively targeting NMDA receptors and/or their signaling. These results further contribute to the hypothesis that soluble Aβ oligomers cause synaptic dysfunction which might lead to cognitive decline seen in AD patients. Regarding drug effects, donepezil and TC-1827 slightly restored ADDLs induced impairment of early LTP, but had no effect on late LTP impaired by ADDLs. In contrast, both, SSR180711 and BAY 73-6691 completely rescued early as well as late LTP impaired by ADDLs. ADX-47273 had no restoring effect on ADDLs induced early LTP impairment, but partially restored late LTP impaired by ADDLs. Thus, the earlier finding of the present thesis was confirmed: drugs facilitating glutamatergic function not only seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function, but are also superior in ameliorating soluble Aβ oligomer induced LTP deficits. Therefore, from a preclinical perspective and based on the results of the present thesis, drugs interfering with glutamatergic function seem to have a high therapeutic potential as alternative treatment concerning cognitive deficits. Probably, they represent more efficacious approaches for the symptomatic treatment of AD than current treatments solely facilitating cholinergic function.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, wie verschiedene Techniken zur Verstärkung der Raman-Streuung eingesetzt werden können, um selektiv und sensitiv Wirkstoffe zu charakterisieren und Proteine zu lokalisieren. Die UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie wurde zur selektiven Verfolgung der Wirkstoff-Substrat-Wechselwirkung zwischen einem Guanidiniocarbonyl-basierten Peptidrezeptor und seinem Substrat eingesetzt. Durch die enorme Resonanzverstärkung der Ramanstreuung konnten in einer Bindungsstudie die spektralen Änderung bei der Komplexierung des Rezeptors mit einem Tetrapeptid bei submillimolarer Konzentration in Wasser verfolgt werden. Die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (surface-enhanced Raman scattering, SERS) wurde zur ultrasensitiven Detektion von festphasengebundenen Substanzen eingesetzt. Die selektive Verstärkung der auf dem Harz gebundenen Substanz wurde durch aggregierte Silber-Nanopartikeln auf der Oberfläche der Harzkügelchen ermöglicht. So konnte auf einem einzigen Harzkügelchen in wenigen Sekunden das SERS-Spektrum einer Substanzmenge von nur 50 fmol aufgenommen werden. In einem SERS-mikroskopischen Raster-Experiment an der Oberfläche eines einzelnen Harzpartikels konnte die hohe Reproduzierbarkeit dieser Technik demonstriert werden. Zwei neue SERS-Marker zur Detektion von Biomolekülen werden abschließend vorgestellt. Bei beiden Marker-Typen werden die Raman-Signale von selbstorganisierenden Monolagen (self-assembled monolayer, SAM) aus Raman-Markern durch Gold/Silber-Nanoschalen als SERS-Substrat verstärkt. Der erste neue SERS-Marker-Typ wurde mit einer SAM aus Raman-Markern mit zwei unterschiedlich langen hydrophilen Abstandshalter-Gruppen synthetisiert. Über das Verhältnis von kurzem zu langem Abstandshalter kann die sterische Hinderung der Bindungsstellen in der SAM zur kontrollierten Konjugation an Antikörper minimiert werden. Der zweite SERS-Marker-Typ beruht auf der Silicaverkapselung einer SAM auf den Gold/Silber-Nanoschalen. Die silicaverkapselten SERS-Marker konnten nach der Oberflächenfunktionalisierung mit Amino-Gruppen über heterobifunktionelle Verknüpfungsreagenzien an Antikörper gekoppelt werden. Beide SERS-Marker wurden zur immunhistochemischen Lokalisierung des prostataspezifischen Antigens in Prostatagewebeschnitten eingesetzt.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese eines Derivates von SR11237 sowie von siliciumhaltigen Derivaten der bekannten Wirkstoffe Protein-Tyrosin-Phosphatase-Inhibitor IV, Bexaroten, AM80 und AM580 und berichtet über die Versuche, siliciumhaltige Derivate der Wirkstoffe XE991, CGP7930 und Chlophedianol zu synthetisieren. Die Charakterisierung der Zielverbindungen sowie aller auftretenden Zwischenstufen erfolgte durch NMR-Spektroskopie (1H, 13C, 19F, 29Si) und elementaranalytische Untersuchungen. In einigen Fällen erfolgte zusätzlich eine strukturelle Charakterisierung durch Einkristall-Röntgenstrukturanalyse. Einige der synthetisierten Wirkstoffe wurden im Rahmen von Kooperationen pharmakologisch untersucht.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden siliciumhaltige Derivate des allosteren Modulators W84 und Sila-Analoga der Wirkstoffe Meptazinol und Trifluperidol synthetisiert. Weiterhin wurden potentielle holzige Riechstoffe dargestellt. Zudem wurde im Zuge der Synthese des Sila-Analogons von Trifluperidol ein Beitrag zur Etablierung der 2,4,6-Trimethoxyphenyl-Einheit als Schutzgruppe für das Silicium-Atom geleistet. Ebenso wurde die Anwendbarkeit der Olefin-Metathese-Reaktion und der Gold(I)-katalysierten intramolekularen Hydroaminierung als präparative Methoden zum Aufbau von 3-Silazepan- bzw. 3-Silapyrrolidin-Derivaten untersucht.