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Salt formation is a routinely used strategy for poorly water-soluble drugs and traditionally performed with small inorganic counterions. High energy crystal lattices as well as effects on the local pH within the aqueous boundary layer during dissolution drive the increased dissolution rate and apparent solubility. Ionic liquids however, by definition low melting ionic salts with often large organic counterions, combine an increased dissolution rate with solubilization of the drug by the counterion itself. Long lasting supersaturation profiles of increased kinetic solubility were reported for several drugs formulated as ionic liquids increasing their overall bioavailability. Furthermore, aggregation and micellization between highly lipophilic compounds and amphiphilic bile acids was described before, demonstrating the capabilities of the human body itself to utilize solubilization of poorly water-soluble compounds. Development of novel counterions not only tailoring the desired physicochemical properties e.g. dissolution rate of the parent drug but adding – in a best-case scenario synergistic – pharmacological activity has been driven forward in the last years. However, salt formation can only be applied for ionizable i.e. acidic or basic compounds. While co-crystals can be used as a nonionized alternative, their formation is not always successful leading to an urgent need for other formulation strategies. In these lines, development of 2D and 3D printing techniques has been ongoing for the last decades and their pharmaceutical application has been demonstrated. The versatile nature and commercial availability allow a decentralized production further elaborating this technique for a highly flexible and patient-oriented supply with medication. This thesis focuses on the theoretical background and potential application of salt formation in the pharmaceutical development of a drug candidate. The first section presents the current knowledge and state of the art in preparation of low melting ionic liquids i.e. salts and is translated to the in vitro investigation of molecular interaction between the poorly water-soluble drug imatinib and components of the human intestinal fluid in the second section. Development of novel antibiotic counterions and assessment of their potential use in pharmaceutical formulations with fluoroquinolones is described in the last two sections. Chapter I describes the application of low melting ionic liquids in pharmaceutical formulation and details their development in the last two decades from versatile organic solvents in chemical synthesis towards amorphous strategies for drug delivery. The chapter gives a general overview on molecular structure and physicochemical properties of several drug containing ionic liquids and details the mechanisms which attribute to a typically fast dissolution, increased aqueous solubility as well as enhanced permeation which was reported in several publications. Chapter II translates the increased aqueous solubility of drugs by an organic counterion to the human gastrointestinal tract with taurocholate and lecithin as main drivers for the solubilization of highly lipophilic and poorly water-soluble drugs. Investigation of the interaction of imatinib – a poorly water-soluble weak base – with fasted- and fed state simulated intestinal fluids revealed a complex interplay between the components of the intestinal fluid and the drug. Mixed vesicles and micelles were observed in concentration dependent aggregation assays and revealed differences in their size, molecular arrangement as well as composition, depending on the tested drug concentration. Overall, the study outlines the effective interaction of weakly basic drugs with taurocholate and lecithin to minimize recrystallization during intestine passage finally leading to favorable supersaturation profiles. Chapter III focuses on the development of novel antibiotic counterions which potentially move the evolution of ionic liquids from a pharmaceutical salt with tailored physicochemical properties to a synergistic combination of two active pharmaceutical ingredients. The natural occurring anacardic acid derived from the cashew nut shell inspired a series of antibacterial active acidic compounds with increasing alkyl chain length. Their physicochemical properties, antibacterial activity, bacterial biofilm inhibition and cytotoxicity were detailed and in vivo activity in a Galleria mellonella model was assessed. This group of anacardic acid derivatives is synthetically accessible, easily modifiable and yielded two compounds with favorable activity and physicochemical profile for further drug development. Chapter IV outlines the potential application of anacardic acid derivatives in pharmaceutical formulations by salt formation with fluoroquinolone antibiotics as well as novel techniques such as 2D/3D printing for preparation of drug imprinted products. Despite anacardic acid derivatives demonstrated promising physicochemical properties, salt formation with fluoroquinolone antibiotics was not feasible. However, 2D/3D printed samples with anacardic acid derivative alone or in combination with ciprofloxacin demonstrated physical compatibility between drug and matrix as well as antibacterial activity against three S. aureus strains in an agar diffusion assay. Conclusively, drug printing can be applied for the herein tested compounds, but further process development is necessary. In summary, preparation of low melting ionic liquids, salts or co-crystals is an appropriate strategy to increase the aqueous solubility of poorly water-soluble drugs and tailor physicochemical properties. The counterion itself solubilizes the drug and furthermore potentially interferes with the complex micellar environment in the human intestine. However, salt formation as routinely used formulation strategy is not feasible in every case and development of alternative techniques is crucial to hurdle challenges related to unfavorable physicochemical properties. The outlined techniques for 2D/3D drug printing provide versatile production of drug products while extending the design space for novel drug development.

In der Krankheitsentstehung der diabetischen Neuropathie wird die paranodale Demyelinisierung als ein möglicher Pathomechanismus diskutiert, wobei Studien mit Gewebeproben von Patienten aufgrund der Invasivität limitiert sind. In der vorliegenden Studie wurden periphere Nervenfasern in Hautbiopsien von Patienten mit diabetischer Neuropathie und in Patienten mit Diabetes mellitus ohne Neuropathie untersucht. Ziel war es, nodale und paranodale Veränderungen, wie eine Dispersion der paranodalen Proteine Caspr und Neurofascin oder der nodalen Na-Kanäle, zu detektieren und die Proben auf verlängerte Ranvier`sche Schnürringe zu untersuchen. Es wurde die Hypothese überprüft, dass paranodale Demyelinisierungen bei Patienten mit diabetischer Neuropathie in Hautbiopsien, als minimal-invasive Methode, nachweisbar sind. Hautproben von Patienten mit Diabetes mellitus ohne Neuropathie sollten zudem in einem frühen Krankheitsstadium untersucht werden. Für die Untersuchung konnten 35 Patienten mit einer diabetischen Neuropathie, 17 Patienten mit Diabetes mellitus und 31 Kontrollen eingeschlossen werden. Immunfluoreszenzfärbungen mit Antikörpern gegen Caspr, Neurofascin und Natrium-Kanälen wurden zur Analyse der Ranvier`schen Schnürringarchitektur durchgeführt und ausgewertet. Eine erhöhte Anzahl an verlängerten Schnürringen, als Zeichen einer segmentalen Demyelinisierung, konnte in den Patienten mit diabetischer Neuropathie aber auch in Patienten mit Diabetes mellitus nachgewiesen werden. Weiterhin waren vermehrt Veränderungen der paranodalen Proteine, wie eine Dispersion von Caspr und Neurofascin in den Proben des Fingers der Patienten mit diabetischer Neuropathie sowie eine Dispersion von Neurofascin im Unterschenkel in beiden Patientengruppen nachweisbar. Interessanterweise waren einzelne Veränderungen auch in den gesunden Kontrollen auffindbar. Veränderungen der Schnürringarchitektur lassen sich mithilfe der Hautbiopsie nachweisen und quantifizieren. Nodale und paranodale Veränderungen weisen auf demyelinisierende Prozesse in Patienten mit diabetischer Neuropathie hin und finden sich auch bereits in einem frühen Krankheitsstadium.

Die Narbenhernie stellt eine häufige Komplikation nach Laparotomien dar. Die Therapie der Narbenhernie erfolgt mittels chirurgischer Netzimplantation. Dieses Verfahren erfordert detaillierte anatomische Kenntnisse. Dem ethischen Imperativ folgend, wurde ein kosten-effizientes Modell entwickelt, welches den humanen Situs imitiert und an dem sich eine retromuskuläre Netzimplantation durchführen lässt. Das High-Fidelity-Modell besteht zum Hauptteil aus 2-Komponenten-Silikon. Das Modell wurde entwickelt und im Rahmen dieser Studie validiert. Zur Ermittlung der Testpersonenanzahl wurde die Methodik des sequentiellen Dreieckstests genutzt. Nachdem 6 Anfänger (PJ-Studierende) und 6 Könner (Fachärzte für Viszeralchirurgie) jeweils ein Modell operiert hatten, wurde die Kontent-, die Konstrukt- und die Kriterienvalidität untersucht. Anschließend wurde das Modell und die Operationsdurchführung mit drei Methoden untersucht. Zum einen füllten die Teilnehmenden einen Fragebogen bezüglich der Realitätsnahe des Modells direkt nach der Operation aus. Außerdem bewerteten drei verblindete Bewerter die Operationen anhand des Competency assessment tool (CAT), welcher eine modifizierte Version des Fragebogens nach Miskovic darstellt, nach den folgenden Subskalen: „Instrumentengebrauch“, „Umgang mit dem Gewebe“, „Mängel und Fehler“, „Qualität des Endprodukts“. Zuletzt wurden die operierten Modelle bezüglicher der „Endergebnisse“ autopsiert und bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass am SUBsON-Modell eine Narbenhernienoperation mit Netzimplantation authentisch durchgeführt werden kann. Die Testpersonen bewerteten das Modell als realitätsnah. Die Reliabilität war in allen Kategorien gut bis exzellent. Die Könner waren in allen Subskalen des CATs den Anfängern überlegen. Bei Betrachtung der Kriterienvalidität zeigte sich ein paradoxer Effekt: Bei der Präparation des Fatty Triangles erbrachten die Anfänger eine signifikant (p< 0,05) höhere Leistung als die Könner. Mögliche Erklärungen dafür sind mannigfaltig. Die Leistungsunterschiede zwischen Anfängern und Könnern bestätigen die Konstruktvalidität von Modell und Fragebogen sowie die Realitätsnähe des Modells. In dieser Studie konnten Defizite vor allem unter Könnern bezüglich anatomischer Kenntnisse bei der Präparation des Fatty Triangles aufgezeigt werden. Das Modell kann zukünftig genutzt werden, um die Netzimplantation und die Präparation des Fatty Triangles zu üben als auch um die chirurgischen Leistungen zu evaluieren.

Das Nebenschilddrüsenkarzinom ist eine sehr seltene Erkrankung mit einem hohen krankheitsspezifischen Überleben. Die vorliegende Studie ist mit 83 Patienten die bisher größte multizentrische Studie zu dieser seltenen Tumorerkrankung in Deutschland. Aufgrund der Seltenheit der Erkrankung finden sich bislang keine prospektiven Studien zum Nebenschilddrüsenkarzinom, sodass sich die bisherigen Handlungs- und Therapieempfehlungen auf retrospektive Studien, Reviews sowie auf Erfahrungen aus Einzelfallberichten beziehen. Ziel dieser Arbeit war die Evaluation von diagnostischen Mitteln, Krankheitsverlauf und prognostischen Faktoren sowie die Gegenüberstellung der Erfolgsaussichten verschiedener Therapieverfahren des Nebenschilddrüsenkarzinoms.

Einleitung: Volumensubstitution ist ein elementarer Bestandteil bei der hämodynamischen Stabilisierung von Patienten bei großen operativen Eingriffen. Die Art und Menge der zu applizierenden Lösungen ist Gegenstand von kontrovers geführten Diskussionen. Ziel dieser Arbeit war es, die unterschiedlichen Auswirkungen der intraoperativ verabreichten kolloidalen Infusionslösungen 6% HES 130/0,4 (HES) und Humanalbumin 5% (HA) zu untersuchen. Material & Methoden: Retrospektive Datenanalyse (2000-2007) von neurochirurgisch versorgten Kindern <5 Jahren mit einem intraoperativen Blutverlust von > 10%, die entweder HES oder HA zur Volumensubstitution verabreicht bekommen hatten. Ergebnisse: 913 Patienten wurden zwischen 2000-2007 operiert, wovon 30 mit HES (Alter 26,8±17,6 [Monate]; Gewicht 12,3±4,0 [kg]) und 56 mit HA behandelte Kinder (Alter 20,0±17,9; Gewicht 11,0±3,9) eingeschlossen werden konnten. Der Blutverlust in der HA-Gruppe (54,8±45,0 [% Blutverlust vom Gesamtblutvolumen]) war signifikant höher als in der HES-Gruppe (30,5±30,0). In der HA-Gruppe wurden signifikant mehr Kolloide (25,7±11,3 HA vs. 16,4±9,2 HES [ml/kgKG]) im Vergleich zu den mit HES behandelten Kindern verabreicht. Sowohl intraoperativ, als auch nach dem Intensivstation-Aufenthalt hatte die HA-Gruppe eine signifikant höhere positive Bilanz gegenüber der HES-Gruppe. Die Urinproduktion unterschied sich sowohl intra-, als auch postoperativ nicht zwischen den Gruppen. Bei den HA-Kindern war postoperativ die partielle Thromboplastinzeit (PTT) signifikant erhöht und das Fibrinogen erniedrigt. Interessanterweise zeigten aber die mit HA behandelten Kinder tendenziell einen kürzeren Intensivaufenthalt (40,2±25,1 HES vs. 31,6±24,3 HA [h]) und eine verkürzte postoperative Krankenhausverweildauer (HES 11,0±3,8; HA 9,8±4,6 [d]). Schlussfolgerung: Trotz größerem Blutverlust, höherem Bedarf an Kolloiden und erhöhter PTT zeigten die mit HA behandelten Kinder sowohl einen Trend zu einem kürzeren Intensivaufenthalt, als auch zu einer verkürzten postoperativen Krankenhausverweildauer. Für eine valide Aussage PRO HES oder HA zur Volumentherapie in der pädiatrischen Neurochirurgie, müsste eine doppelblinde randomisierte Studie durchgeführt werden.

Stomata sind kleine Poren in der Blattoberfläche, die Pflanzen eine Anpassung ihres Wasserhaushalts an sich ändernde Umweltbedingungen ermöglichen. Die Öffnungsweite der Stomata wird durch den Turgordruck der Schließzellen bestimmt, der wiederum durch Ionenflüsse über die Membranen der Zelle reguliert wird. Ein Netzwerk von Signaltransduktionswegen sorgt dafür, dass Pflanzen die Stomabewegungen an die Umgebungsbedingungen anpassen können. Viele molekulare Komponenten dieser Signaltransduktionketten in Schließzellen von Angiospermen sind inzwischen bekannt und Calcium spielt darin als Signalmolekül eine wichtige Rolle. Weitgehend unbekannt sind dagegen die Mechanismen, die zur Erzeugung von transienten Erhöhungen der Calciumkonzentration führen. Auch die molekularen Grundlagen der Regulierung der Stomaweite in Nicht-Angiospermen-Arten sind bisher nur wenig verstanden. Um zur Aufklärung dieser Fragestellungen beizutragen, wurden in dieser Arbeit Mechanismen zur Erhöhungen der cytosolischen Calciumkonzentration sowie elektrophysiologische Eigenschaften von Schließzellen untersucht. Der Fokus lag hierbei insbesondere auf der Visualisierung cytosolischer Calciumsignale in Schließzellen. Im ersten Teil der Arbeit wurde durch die Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse mittels TEVC (Two Electrode Voltage Clamp) gezielt eine Erhöhung der cytosolischen Calciumkonzentration in einzelnen Schließzellen von Nicotiana tabacum ausgelöst. Um die Dynamik der cytosolischen Calciumkonzentration dabei zeitlich und räumlich hoch aufgelöst zu visualisieren, wurde simultan zu den elektrophysiologischen Messungen ein Spinning-Disc-System für konfokale Aufnahmen eingesetzt. Während der Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse wurde eine transiente Vergrößerung des cytosolischen Volumens beobachtet. Diese lässt sich durch einen osmotisch getriebenen Wasserfluss erklären, der durch die Veränderung der Ionenkonzentration im Cytosol verursacht wird. Diese wiederum wird durch die spannungsabhängige Aktivierung einwärtsgleichrichtender Kaliumkanäle in der Plasmamembran der Schließzellen und durch den Kompensationsstrom der eingestochenen Mikroelektrode hervorgerufen. Mit Hilfe des calciumsensitiven Farbstoffs Fura-2 konnte gezeigt werden, dass die Erhöhung der freien cytosolischen Calciumkonzentration während der Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse durch zwei Mechanismen verursacht wird. Der erste Mechanismus ist die Aktivierung hyperpolarisationsaktivierter, calciumpermeabler Kanäle (HACCs) in der Plasmamembran, die schon 1998 von Grabov & Blatt beschrieben wurde. Zusätzlich zu diesem Mechanismus der Calciumfreisetzung, konnte ein zweiter bislang unbekannter Mechanismus aufgedeckt werden, bei dem Calcium aus intrazellulären Speichern in das Cytosol freigesetzt wird. Dieser Mechanismus hängt mit der oben beschriebenen Vergrößerung des cytosolischen Volumens zusammen und ist wahrscheinlich durch die Änderungen der mechanischen Spannung der Membran bzw. der Osmolarität innerhalb der Zelle bedingt. Diese könnten zu einer Aktivierung mechanosensitiver, calciumpermeabler Kanäle führen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen Grundlagen der Regulierung von Stomata in Nicht-Angiospermen. In Schließzellen von Polypodium vulgare konnten durch die Anwendung der TEVC-Technik ähnliche spannungsabhängige Ströme über die Plasmamembran gemessen werden wie in Angiospermen. Ebenso wurden durch die Applikation hyperpolarisierender Spannungspulse an Schließzellen von Polypodium und Asplenium Erhöhungen der cytosolischen Calciumkonzentration ausgelöst, die auf die Existenz spannungsabhängiger, calciumpermeabler Kanäle in der Plasmamembran hinweisen. Die Diffusion von Fluoreszenzfarbstoffen in die Nachbarschließzellen nach der iontophoretischen Beladung in Polypodium, Asplenium, Ceratopteris und Selaginella zeigte, dass in diesen Arten eine symplastische Verbindung zwischen benachbarten Schließzellen besteht, die an Schließzellen von Angiospermen bisher nicht beobachtet werden konnte. Anhand elektronenmikroskopischer Aufnahmen von Polypodium glycyrrhiza Schließzellen konnte gezeigt werden, dass diese Verbindung wahrscheinlich durch Plasmodesmata zwischen benachbarten Schließzellen gebildet wird. Durch die Analyse der Calciumdynamik in benachbarten Schließzellen nach hyperpolarisierenden Spannungspulsen stellte sich heraus, dass die Calciumhomöostase trotz symplastischer Verbindung in beiden Schließzellen unabhängig voneinander reguliert zu werden scheint. Im Rahmen der Untersuchungen an Farnschließzellen wurde desweiteren eine Methode zur Applikation von ABA etabliert, die es erlaubt mithilfe von Mikroelektroden das Phytohormon iontophoretisch in den Apoplasten zu laden. Im Gegensatz zu den Schließzellen von Nicotiana tabacum, die auf eine so durchgeführte ABA-Applikation mit dem Stomaschluss reagierten, wurde in Polypodium vulgare auf diese Weise kein Stomaschluss ausgelöst. Da die ABA-Antwort der Farnstomata aber auch von anderen Faktoren wie Wachstumsbedingungen abhängig ist (Hõrak et al., 2017), kann eine ABA-Responsivität in dieser Farnart trotzdem nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Die Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern, wie sie in dieser Arbeit gezeigt wurde, könnte eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Stomaweite spielen. Zur Aufklärung dieser Fragestellung wäre die Identifizierung der Kanäle, die an der osmotisch/mechanisch induzierten Calciumfreisetzung aus internen Speichern beteiligt sind, von großem Interesse. Weiterführende Studien an Schließzellen von Farnen könnten die physiologische Bedeutung der aus Angiospermen bekannten Ionenkanäle für die Stomabewegungen in evolutionär älteren Landpflanzen aufklären und so maßgeblich zum Verständnis der Evolution der Regulierunsgmechanismen von Stomata beitragen. Außerdem stellt sich die Frage, welche Rolle die hier gezeigte symplastische Verbindung der Nachbarschließzellen durch Plasmodesmata für die Funktion der Stomata spielt.

Hintergrund: Das Catechol-O-Methyltransferase-Gen (COMT) ist ein vielversprechendes Kandidatengen zur Untersuchung kognitiver und emotionaler Funktionen sowie deren pathologischer Veränderungen. Ein einzelner Basenaustausch in diesem Gen führt zu einer 3-4fach höheren COMT-Aktivität der Val Variante. Ein dadurch vermitteltes dopaminerges Defizit wird als relevanter Faktor für eine veränderte Hirnfunktion angenommen. Mit dem kognitiven Stroop-Paradigma wurden kognitive Verarbeitungsprozesse bisher gut erforscht. Zur Erfassung emotionaler Verarbeitungsprozesse wurde eine emotionale Variante entwickelt, deren neurale Grundlagen bislang weniger gut bekannt sind. Ziel: Unsere imaging genetics-Arbeit untersucht den Einfluss genetischer Varianten auf die neurale Funktion. Ziel dieser experimentellen Arbeit war es, den Einfluss des COMT-Polymorphismus (COMT-PM) auf die Frontalkortex-Funktion in ausgewählten Regionen von Interesse (ROI) zu erfassen und der Frage nachzugehen, ob das Val-Allel als Risiko-Allel zur Pathogenese einer Angststörung (AS) beitragen könnte. Zudem sollte die Tauglichkeit des emotionalen Stroop- Paradigmas als angstsensibles Messinstrument zur Untersuchung dieser Fragestellung geprüft werden. Demgegenüber steht die Annahme, das emotionale Stroop-Paradigma könnte lediglich eine Arbeitsgedächtnis (AG)-Aufgabe darstellen. Methoden: Mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) und ereigniskorrelierter Potentiale untersuchten wir 121 gesunde nach dem COMT- Val158Met-PM stratifizierte Probanden während eines kombiniert emotional- kognitiven Stroop-Paradigmas. Als neurale Korrelate von Exekutivfunktionen und AG-Aufgaben waren die ROI dabei der laterale präfrontale und inferiore Kortex, die auch mit emotionaler Regulation in Verbindung gebracht werden. Als Parameter der Reaktion des autonomen Nervensystems (ANS) diente die Erfassung der elektrodermalen Aktivität sowie die kontinuierliche Messung von Blutdruck, Herzfrequenz und Herzratenvariabilität. Ergebnisse: Bei allen drei COMT Varianten zeigte sich ein kognitiver Stroop-Effekt mit verlängerter Reaktionszeit und erhöhter Fehleranzahl während der Präsentation inkongruenter Farbworte. Als Reaktion des ANS stellte sich eine erhöhte elektrodermale Aktivität bei inkongruenten Farbworten dar. Die funktionelle Bildgebung ließ in den analysierten Regionen eine erhöhte präfrontale Aktivierung während der Verarbeitung inkongruenter Farbworte nachweisen. Es fanden sich keine Gruppenunterschiede im kognitiven Stroop-Paradigma. Der einzige emotionale Stroop-Effekt zeigte sich in der P300. Der einzig nachweisbare Gruppeneffekt stellte sich im emotionalen Stroop-Paradigma als höhere Fehleranzahl bei Met-Homozygoten verglichen mit Heterozygoten dar. Schlussfolgerung: Genetische Information und funktionelle Bildgebung kombiniert sollten ermöglichen, neurale Mechanismen zu definieren, die mit genetischen Varianten verlinkt sind. Die Ergebnisse bezogen auf die analysierten Regionen liefern keinen Hinweis auf ein Val-Allel assoziiertes Risiko für die Entwicklung einer AS. Damit gelingt es nicht, bisher gewonnene Ergebnisse zum Einfluss des COMT-PM auf die präfrontale Funktion zu replizieren. Fraglich ist jedoch, ob sich das emotionale Stroop-Paradigma zur Untersuchung dieser Frage eignet, da weder in den fNIRS-, noch in den autonomen oder Verhaltensdaten ein emotionaler Stroop-Effekt nachgewiesen werden konnte.

Remdesivir is the only FDA-approved drug for the treatment of COVID-19 patients. The active form of remdesivir acts as a nucleoside analog and inhibits the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) of coronaviruses including SARS-CoV-2. Remdesivir is incorporated by the RdRp into the growing RNA product and allows for addition of three more nucleotides before RNA synthesis stalls. Here we use synthetic RNA chemistry, biochemistry and cryoelectron microscopy to establish the molecular mechanism of remdesivir-induced RdRp stalling. We show that addition of the fourth nucleotide following remdesivir incorporation into the RNA product is impaired by a barrier to further RNA translocation. This translocation barrier causes retention of the RNA 3ʹ-nucleotide in the substrate-binding site of the RdRp and interferes with entry of the next nucleoside triphosphate, thereby stalling RdRp. In the structure of the remdesivir-stalled state, the 3ʹ-nucleotide of the RNA product is matched and located with the template base in the active center, and this may impair proofreading by the viral 3ʹ-exonuclease. These mechanistic insights should facilitate the quest for improved antivirals that target coronavirus replication.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) regulate diverse physiological processes in the human body and represent prime targets in modern drug discovery. Engagement of different ligands to these membrane-embedded proteins evokes distinct receptor conformational rearrangements that facilitate subsequent receptor-mediated signalling and, ultimately, enable cellular adaptation to altered environmental conditions. Since the early 2000s, the technology of resonance energy transfer (RET) has been exploited to assess these conformational receptor dynamics in living cells and real time. However, to date, these conformational GPCR studies are restricted to single-cell microscopic setups, slowing down the discovery of novel GPCR-directed therapeutics. In this work, we present the development of a novel generalizable high-throughput compatible assay for the direct measurement of GPCR activation and deactivation. By screening a variety of energy partners for fluorescence (FRET) and bioluminescence resonance energy transfer (BRET), we identified a highly sensitive design for an α2A-adrenergic receptor conformational biosensor. This biosensor reports the receptor’s conformational change upon ligand binding in a 96-well plate reader format with the highest signal amplitude obtained so far. We demonstrate the capacity of this sensor prototype to faithfully quantify efficacy and potency of GPCR ligands in intact cells and real time. Furthermore, we confirm its universal applicability by cloning and validating five further equivalent GPCR biosensors. To prove the suitability of this new GPCR assay for screening purposes, we measured the well-accepted Z-factor as a parameter for the assay quality. All tested biosensors show excellent Z-factors indicating outstanding assay quality. Furthermore, we demonstrate that this assay provides excellent throughput and presents low rates of erroneous hit identification (false positives and false negatives). Following this phase of assay development, we utilized these biosensors to understand the mechanism and consequences of the postulated modulation of parathyroid hormone receptor 1 (PTHR1) through receptor activity-modifying protein 2 (RAMP2). We found that RAMP2 desensitizes PTHR1, but not the β2-adrenergic receptor (β2AR), for agonist-induced structural changes. This generalizable sensor design offers the first possibility to upscale conformational GPCR studies, which represents the most direct and unbiased approach to monitor receptor activation and deactivation. Therefore, this novel technology provides substantial advantages over currently established methods for GPCR ligand screening. We feel confident that this technology will aid the discovery of novel types of GPCR ligands, help to identify the endogenous ligands of so-called orphan GPCRs and deepen our understanding of the physiological regulation of GPCR function.

Die Stammzellforschung beschäftigt sich bereits seit Jahren mit der Frage, wie Gewebe oder sogar Organe im Labor hergestellt werden können. Als besonders vielversprechend erscheinen hierfür humane Mesenchymale Stammzellen (hMSC), da diese in vielen Fällen direkt vom Empfänger gewonnen werden können und so keine Organ- oder Gewebeabstoßung durch Abwehrreaktionen zu erwarten ist. Für die weitere Erforschung des Verhaltens von Stammzellen in vivo ist es notwendig, diese nicht-invasiv darstellen zu können. Dies ist zum Beispiel mittels Magnetischer Partikel Bildgebung (MPI) möglich. Hierfür müssen die Stammzellen mit einer geeigneten Substanz markiert werden. Eine solche sind beispielsweise superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel (SPION). Derzeit gibt es keine von den medizinischen Zulassungsbehörden zugelassenen SPION die ohne TA in hMSC aufgenommen werden. In der hier vorliegenden Arbeit sollte also im Rahmen des EU-weiten „IDEA-Projekts“ ein geeigneter SPION identifiziert werden, der eine optimale Zell-Partikel-Interaktion aufweist und sowohl mittels MPI als auch mit Raman-Spektroskopie nachweisbar ist. Zudem sollte die Nachweisbarkeit des SPION über einen längeren Zeitraum gegeben und kein Einfluss auf die hMSC feststellbar sein. Es wurden hMSC mit den Eisenoxidnanopartikeln M4E, M4F, M4F2 und M3A-PDL in unterschiedlichen Konzentrationen markiert. Für M3A-PDL und M4E erfolgten bei einer Konzentration von 0,5 mg/ml Untersuchungen in Zellkultur sowie auf SIS-ser als Matrix im 3D-Modell. Desweiteren wurde das Differenzierungsverhalten der mit M4E markierten hMSC bei chondrogener Differenzierung untersucht. Außerdem kamen Magnetische Partikel Spektroskopie (MPS) und Raman-Spektroskopie als nicht-invasive Nachweisverfahren zum Einsatz. Der SPION-Nachweis erfolgte histologisch mittels Berliner Blau Färbung. Untersuchungen zu Zellviabilität und Proliferation erfolgten durch Trypanblau sowie Ki67-Antikörper-Färbung. Um Nachzuweisen ob auch markierte Zellen proliferieren wurde eigens ein kombiniertes Färbeprotokoll zur Kombination von Berliner Blau und immunhistochemischer Färbung etabliert. Der Erfolg der chrondrogenen Differenzierung wurde mittels Alcianblau, Aggrecan- und Kollagen-II-Antikörper Färbung überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass M4E bei der Markierung von hMSC eine sehr gute Zell-Partikel-Interaktion aufweist und im Gegensatz zu M3A auch ohne TA in die Zellen aufgenommen wird. Durch beide Partikel werden Zellviabilität und Proliferation nicht beeinflusst. M4F sowie M4F2 ist zur Markierung nicht geeignet. Die Markierung ließ sich im 3D-Modell mit vier Wochen deutlich länger nachweisen als in 2D Zellkultur mit maximal zwei Wochen. Die chondrogene Differenzierung wird durch die Markierung mit 0,5 mg/ml M4E beeinflusst. M3A-PDL sind durch MPS nachweisbar. Die Raman-Spektroskopie eignet sich zur Differenzierung zwischen mit M3A-PDL markierten und unmarkierten hMSC. Es ist im Rahmen dieser Arbeit gelungen, einen Eisenoxidnanopartikel mit hervorragender Zell-Partikel-Interaktion zu identifizieren, der ohne zusätzliches TA eine intensive Markierung der hMSC ermöglicht und mit MPS nachweisbar ist. Für M4E konnte in weiteren Arbeiten am Institut bereits gezeigt werden, dass auch eine Differenzierung zwischen markierten und unmarkierten Zellen mittels Raman-Spektroskopie möglich ist. Die chondrogene Differenzierung der hMSC wurde in der vorliegenden Arbeit allerdings beeinträchtigt. In der Literatur finden sich Hinweise auf eine dosisabhängige Inhibition der Differenzierung. Es sind daher weitere Versuche notwendig, um herauszufinden, ob die Inhibition der Differenzierung möglicherweise bei geringerer SPION-Konzentration weniger ausgeprägt ist. Zudem sollte untersucht werden, ob auch geringere Konzentrationen in den Zellen über mehrere Wochen mittels MPS nachweisbar bleiben. Desweiteren sollten Untersuchungen in, der in vivo Situation ähnlicheren, Systemen, wie dem dynamischen Umfeld einer BioVaSc-TERM® durchgeführt werden um bessere Vorhersagen zum Verhalten markierter hMSC in vivo treffen zu können.