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A closer look at long-established drugs: enantioselective protein binding and stability studies
(2023)
The aim of this work was to investigate older, established drugs. The extent of the protein binding of chiral ephedra alkaloids to AGP and of ketamine to albumin was determined. Since enantiomers of these drugs are individual available, the focus was on possible enantioselective binding and structural moieties involved in the binding.
Previously published work suggested that ephedrine and pseudoephedrine can bind stereoselectively to proteins other than albumin in serum. For the determination of the extent of protein binding, the established ultrafiltration with subsequent chiral CE analysis was used. To determine the influence of basicity on binding, the drugs methylephedrine and norephedrine were also analyzed. Drug binding to AGP increased with increasing basicity as follows: norephedrine < methylephedrine < ephedrine < pseudoephedrine. pKaff was determined both graphically using the Klotz plot and mathematical indicating a low affinity of the ephedra alkaloids to AGP. Using STD-NMR spectroscopy experiments the aromatic protons and the C-CH3 side chain were shown to be most strongly involved in binding, which could be confirmed by molecular docking experiments in more detail. For all drugs, van der Waals-, π π , cationic interactions, hydrogen bonds, and a formation of a salt bridge were observed. The individual enantiomers showed no significant differences and thus the binding of ephedra alkaloids to AGP is not significant.
In contrast to the ephedra alkaloids, the possible enantioselective binding to albumin was investigated for R and S ketamine. Again, ultrafiltration followed by CE analysis was performed. The binding of ketamine to one main binding site could be identified. A non-linear fit was used for the determination of pKaff. Using the NMR methods STD-NMR, waterLOGSY-NMR, and CPMG-NMRspectroscopy: the aromatic protons as well as the protons of the NCH3 methyl group showed the largest signal intensity changes, while the cyclohexanone protons showed the smallest changes. pKaff was also determined by the change in the chemical shift at different drug-protein ratios. These obtained values confirm the values obtained from ultrafiltration. Based on this, ketamine is classified as a low-affinity ligand to albumin. There were no significant differences between the individual enantiomers and thus the binding of ketamine to albumin is not a stereoselective process.
Using statistical design of experiments an efficient chiral CE method for determining the extent of protein binding of R and S ketamine to albumin was developed and validated according to ICH Q2 (R1) guideline.
The stability of ketamine was also investigated because a yellowish discoloration of an aqueous solution of ketamine developed under heat. XRPD investigations showed the same crystal structure for all batches examined. An untargeted screening using LC HRMS as well as LC UV measurements showed no degradation of ketamine or the presence of impurities in stress and non-stressed ketamine solutions, confirming the stability of ketamine under the stress conditions investigated. The lower the quality of the water used in the stress tests, the more intense the yellow discoloration occurred. The impurity or the mechanism that causes the yellow discoloration could not be identified.
Das Ziel dieser Arbeit war die Anwendung intakter Mikroorganismen auf organische Sulfide zur asymmetrischen Synthese von optisch aktiven Sulfoxiden. Die im Vergleich zu den aufwendigen und teueren Reaktionen mit isolierten Enzymen besonders effizienten Rahmenbedingungen bei sogenannten `whole-cell´-Umsetzungen stellten den Grund für die Bemühungen in dem stetig an Bedeutung gewinnenden Arbeitsfeld der Bioorganischen Chemie dar. Die wesentlichen Ergebnisse dieser Studien sind im Folgenden zusammengefasst: 1. Die Mikroorganismen wurden isoliert, singularisiert und kultiviert. Eine Bodenprobe diente als Quelle für eine Vielzahl an Bakterien, Hefen und Pilzen, die mit dem Standardsubstrat Thioanisol auf ihre Fähigkeit zur enantioselektiven Sulfoxidation überprüft wurden. 2. Insgesamt sind sechs Keime nach standardisierten Methoden genotypisch charakterisiert und den entsprechenden Spezies zugeordnet worden. Die beiden Bakterienstämme mit den bei der Sulfoxidation höchsten Enantiomeren-überschüssen (ee-Werten), nämlich Arthrobacter aurescens (bildete das S-Enantiomer) und Pseudomonas frederiksbergensis (lieferte das R-Enantiomer), wurden für nachfolgende Biosynthesen verwendet. Pseudomonas frederiksbergensis war der einzige Stamm, der das R-Enantiomer im Überschuss produzierte. 3. Durch direkte Vergleiche der Biosyntheseleistung der isolierten Bakterien mit kommerziell erhältlichen Referenzstämmen wurde im Fall von Pseudomonas frederiksbergensis gezeigt, dass sich Bodenisolat und zugeordneter Referenz-stamm gegensätzlich enantioselektiv verhalten. Weitere Charakterisierungs-sonden (Farb- und Assimilationsreaktionen, Oberflächenfettsäureverteilung, „Siderophore-Typing“ und direkter rRNA Vergleich) sicherten die Zugehörigkeit beider Bakterienstämme als Pseudomonas frederiksbergensis-Spezies; keinerlei Unterschiede wurden zwischen den beiden Stämmen festgestellt. Zum ersten Mal werden somit zwei natürliche, nicht genetisch manipulierte Stämme von Pseudomonas frederiksbergensis beschrieben, deren Enzymaktivität eine entgegengesetzte Enantioselektivität in der mikrobiellen `whole-cell´ asym-metrischen Sulfoxidation aufweist. 4. In einem umfangreichen Substratscreening sind strukturvariierte organische Sulfide als Substrate zur bakteriellen Sulfoxidation eingesetzt worden. Anhand der ee-Werte wurde der Einfluss der Sulfidstruktur auf den Reaktionsverlauf bestimmt. Generell erwiesen sich Arylalkylsulfide als optimale Substrate für die bakterielle Sulfoxidation mit den isolierten und kommerziell erworbenen Stämmen von Arthrobacter aurescens und Pseuodomonas frederiksbergensis; aliphatische Sulfide wurden zur biokatalytischen Umsetzung nicht akzeptiert. 4a. Elektronenreiche para-Substituenten am Arylsystem ergaben teilweise enantio-merenreine Sulfoxide. 4b. Eine zunehmende Anzahl an Stickstoffatomen im Arylring (N-heterozyklische Grundstruktur) führte zu einer dramatischen Verringerung des ee-Wertes. 4c. Schwefelhaltige Furfuryle und Thiophene wurden nicht als Substrate für die enantioselektive Sulfoxidation akzeptiert. 4d. Der Einsatz schwefelhaltiger Pestizide in der Biokatalyse verlief erfolglos, allerdings wurden die Organophosphorpestizide Fenamiphos® und Fenthion® mit dem aus Sulfoxidationsreaktionen lange bekannten Enzym Chlorperoxidase (CPO) enantiomerenangereichert umgesetzt. 4e. Die biotechnologisch wichtige Anwendung der asymmetrischen Sulfoxidation in der Arzneistoffsynthese -hier versucht mit den Wirkstoffen Omeprazol® und Modafinil®- schlug fehl. 5. Der Einsatz eines Bioreaktors (Fermenter) schuf die Grundlage für künftige asymmetrrische Sulfoxidationen in präparativem Maßstab. Eine Zellzahlstudie mit Pseudomonas frederiksbergensis wurde durchgeführt; ferner erfolgten Bestimmungen der optimalen Fermentationsparameter am Beispiel einfach strukturierter, organischer Sulfide inklusive Blindwerts- und Hemmversuchen. Die toxischen Einflüsse auf die bakteriellen `whole-cell´-Systeme, die vom eingesetzten Sulfid sowohl als auch vom produzierten Sulfoxid verursacht werden, bedürfen besonderer Beachtung bei einer weiteren Bearbeitung dieses Themas. Das vorgestellte, neue Phänomen der asymmetrischen Sulfoxidation mit entgegenge-setzter Enantioselektivität durch zwei geno- und phänotypisch identische Spezies von Pseudomonas frederiksbergensis rechtfertigt eine weitere, intensive Suche nach derartigen, natürlichen Mikroorganismen.
Aussagekräftige Methoden zur Authentizitätsbewertung sind unerlässlich, um so-wohl einen fairen Handel als auch das Vertrauen der Verbraucher in die Qualität von Lebensmitteln zu gewährleisten. Das Ziel dieser Arbeit war es, anhand der Parameter 'Enantioselektivität' und 'Iso-topendiskriminierung' Methoden zur Authentizitätskontrolle von Schaumweinen und Erdbeeren, beides Produkte mit einem vergleichsweise hohen Handelswert, zur Verfügung zu stellen. Um unmittelbare Anwendbarkeit in der Praxis zu ermög-lichen, sollten dabei Untersuchungsmethoden zur Anwendung kommen, wie sie in Speziallaboratorien der Lebensmittelkontrolle gängig sind. Die Methoden der Wahl waren Gaschromatographie-Massenspektrometrie (HRGC-MS), Multidimensionale Gaschromatographie an achiraler/chiraler Phase (enantio-MDGC-MS) und Isoto-penverhältnismassenspektrometrie (IRMS), letztere sowohl in der Anwendung mittels Elementaranalysatoren (EA) als auch in der Kopplung mit der Gaschroma-tographie (HRGC-IRMS). Zur Echtheitsprüfung von Schaumweinen wurde 1,2-Propandiol als mögliche neue Markerkomponente ausgewählt und eine Methode zu dessen Extraktion und Enantiomerenanalytik erarbeitet. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass weder der Gehalt noch das Enantiomerenverhältnis für sich alleine eine Aussage über Her-kunft oder Produktionsmethode ermöglichen. Eine Kombination beider Parameter kann jedoch als Ausgangspunkt für die Authentifizierung von Schaumweinen die-nen. Die Untersuchung von Erdbeer-Aromaprofilen mittels HRGC-MS ergab, dass die Aromastoffzusammensetzung von Erdbeeren maßgebend von der jeweiligen Erd-beersorte beinflusst wird. Es zeigte sich, dass alle Erdbeer-Aromaprofile einem von zwei möglichen Aromaprofiltypen von Kulturerdbeeren zuzuordnen sind. Im Hinblick auf eine Authentizitätsbewertung anhand von Aromastoffprofilen ermög-licht dies den Nachweis einer höheren Menge von nicht aus der Erdbeerfrucht stammendem Aroma zu Erdbeerprodukten. Ein wesentlicher Ansatz zur Überprüfung der Authentizität von Erdbeeraromastof-fen war die Messung des Stabilisotopenverhältnisses von 4-Hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanon (Furaneol®), welcher als "Schlüsselaromastoff" bei Erdbeeren (und Ananas) gilt. Die Ergebnisse zeigten, dass lediglich das Sauerstoffstabilisotopen-verhältnis 18O/16O als Grundlage für eine aussagekräftige Methode dienen kann. IV Eine Unterscheidung von natürlichem Erdbeeraroma aus Erdbeerfrüchten und aus anderen natürlichen Materialien ließ sich hierbei nicht erreichen, jedoch war die synthetische Herkunft einddeutig identifizierbar. Der Einsatz geplanter Multiele-mentanalytik scheiterte an unzureichender Reproduzierbarkeit sowohl bei 2H/1H-, als auch bei 13C/12C-Analysen, wobei die Ursache bei erstgenannten in Aus-tauschreaktionen liegt.