Sandy Gerschler

• Die zunehmende wissenschaftliche Untersuchung traditionell genutzter Arzneipflanzen verdeutlicht den Wandel hin zu einer modernen, evidenzbasierten und qualitätsgesicherten Phytotherapie. Eine verlässliche Bewertung von Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit pflanzlicher Zubereitungen setzt eine analytisch gesicherte Bestimmung von Identität, Reinheit und Gehalt der eingesetzten Droge voraus. Das Europäische Arzneibuch (Ph. Eur.) dient dabei als verbindlicher Standard für pflanzliche Ausgangsstoffe und definiert spezifische Prüfmethoden zur Qualitätssicherung. Von zentraler Bedeutung ist die Quantität wirksamkeitsbestimmender Inhaltsstoffe, sowohl für die Standardisierung von Phytopräparaten als auch für deren pharmakologische und toxikologische Bewertung. Pflanzeninhaltsstoffe, insbesondere in komplexen Extrakten, zeichnen sich durch eine hohe strukturelle Vielfalt aus und können gleichzeitig mehrere molekulare Strukturen angreifen. Drosera rotundifolia L., der Rundblättriger Sonnentau, enthält eine charakteristische Kombination aus Flavonoiden und Naphthochinonen, die antibakterielle, antioxidative und spasmolytische Wirkungen zeigen. Diese bilden die pharmakologische Grundlage für die traditionelle Anwendung bei Atemwegserkrankungen. Die medizinische Nutzung wird jedoch durch den drastischen Rückgang natürlicher Bestände infolge jahrzehntelanger Moorentwässerung zunehmend eingeschränkt. Politische Initiativen zur Renaturierung, etwa die Verordnung der Europäischen Union über die Wiederherstellung der Natur (Nature Restoration Law), eröffnen neue Perspektiven für eine nachhaltige Kultivierung. Zugleich rückt die pharmakologische Erforschung pflanzlicher Naturstoffe angesichts der globalen Ausbreitung multiresistenter Erreger zunehmend in den Fokus. Ein besonders dringliches Anwendungsfeld stellt die Behandlung rezidivierender Harnwegsinfektionen dar, die häufig durch multiresistente Escherichia (E.) coli-Stämme verursacht werden und bei denen die Bildung bakterieller Biofilme maßgeblich zu Therapieversagen und chronischen Verläufen beiträgt. Ziel dieser Dissertation ist es, die pharmazeutische Anwendung von Drosera rotundifolia auf eine wissenschaftlich fundierte Grundlage zu stellen, ihr pharmakologisches Potenzial zu untersuchen und eine Basis für eine qualitätsgesicherte, therapeutische Nutzung zu schaffen. Die Arbeit folgt einem integrativen Forschungsansatz, der sich in drei übergeordnete Schwerpunkte gliedert: (i) die Entwicklung analytischer Qualitätskriterien auf Grundlage der Methodik des Europäischen Arzneibuchs, (ii) die funktionelle Charakterisierung der bioaktiven Komponenten im Hinblick auf antimikrobielle, antivirulente und antiinflammatorische Effekte sowie (iii) eine erste toxikologische Bewertung der untersuchten Extrakte, Fraktionen und Einzelsubstanzen. Zur Umsetzung der Zielstellung kamen analytische und bioanalytische Verfahren zum Einsatz. Als Ausgangsmaterial diente Drosera rotundifolia, kultiviert auf wiedervernässten Torfmoosflächen in Norddeutschland. Nach Gewinnung der Extrakte mittels Ultraschallextraktion erfolgte die quantitative Bestimmung charakteristischer Flavonoide und Naphthochinone durch HPLC-Analyse. Das antimikrobielle und antivirulente Potenzial der Extrakte wurde mithilfe von in vitro Modellen untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen in den biologischen Modellen wurde eine bioaktivitätsgeleitete Fraktionierung durchgeführt, um aktive Fraktionen und Einzelsubstanzen zu isolieren und näher zu charakterisieren. Ergänzend wurden erste toxikologische Bewertungen anhand standardisierter MTT-Zytotoxizitätstests an Epithelzellen, in einem 3D-Zellmodell sowie im Galleria mellonella-Modell durchgeführt. Die Extrakte zeigten eine antimykotische Wirkung gegen Candida albicans und Candida maltosa, antiinflammatorische Effekte durch Hemmung der Cyclooxygenase-Aktivität sowie eine biofilmhemmende Wirkung gegenüber drei multiresistenten E. coli-Stämmen. Diese Effekte waren überwiegend auf den hohen Gehalt an Flavonoiden zurückzuführen. Aufgrund der besonderen klinischen Relevanz bakterieller Biofilme, lag ein Schwerpunkt der Untersuchungen auf der biofilmhemmenden Wirkung. Proteomanalysen zeigten eine erhöhte Abundanz von Proteinen, die an der Synthese und Aufnahme des Siderophors Enterobactin beteiligt sind. Da Siderophore pathogenen Mikroorganismen die Eisenaufnahme in der eisenlimitierten Wirtsumgebung ermöglichen, gelten sie als Virulenzfaktoren. Eine gezielte Störung dieses Systems stellt somit einen vielversprechenden Ansatz zur Schwächung der bakteriellen Virulenz insbesondere uropathogene E. coli-Stämme, dar. Die Zytotoxizitätsuntersuchungen zeigte eine insgesamt geringe Toxizität der Extrakte, wobei die Naphthochinone 7-Methyljuglon und Plumbagin im Zellmodell schädigende Effekte aufwiesen. Die Erkenntnisse aus Wirksamkeits- und Unbedenklichkeitsuntersuchungen wurden in die erarbeitete Qualitätskontrolle integriert. Für die Flavonoide wurde ein Mindestgehalt festgelegt, da sie für die biofilmhemmende Wirkung von Bedeutung sind. Zudem eignet sich der vergleichsweise hohe Flavonoidgehalt und das spezifische Flavonoidmuster von Drosera rotundifolia als Unterscheidungsmerkmal gegenüber anderen Drosera-Arten. Bei den Naphthochinonen wurden Mindest- und Höchstgehalte definiert, wodurch sowohl ihr Beitrag zur Wirksamkeit als auch ihr toxisches Potenzial berücksichtig werden. Die verwendeten Methoden ermöglichten eine verlässliche Bestimmung von Identität, Reinheit und Gehalt und tragen zur Abgrenzung von Drosera rotundifolia gegenüber anderen Sonnentauarten bei. Zusammenfassend leistet diese Dissertation einen Beitrag zur wissenschaftlichen Bewertung einer ökologisch gefährdeten, pharmakologisch jedoch vielversprechenden Arzneipflanze. Durch die Kombination aus analytischer Qualitätskontrolle, pharmakologischer Grundlagenforschung und einer ersten toxikologischen Bewertung wird eine fundierte Basis für die Entwicklung antivirulenter Phytotherapeutika geschaffen. Die Verwendung von nachhaltig kultiviertem Drosera rotundifolia auf wiedervernässten Moorflächen ermöglicht nicht nur eine ressourcenschonende Nutzung, sondern trägt auch zum Erhalt von Ökosystemen, Biodiversität und Klima bei. Damit steht diese Arbeit exemplarisch für einen integrativen Forschungsansatz im Sinne des One-Health-Konzepts, das die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt als untrennbar miteinander verbunden begreift.
• The increasing scientific investigation of traditionally used medicinal plants reflects a shift toward modern, evidence-based, and quality-assured phytotherapy. A reliable assessment of the quality, efficacy, and safety of phytopharmaceuticals requires analytically verified determination of the identity, purity, and content of the herbal drugs used. The European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) serves as a binding standard for herbal drugs and defines specific analytical methods for quality assurance. A key aspect is the quantification of active compounds, which is essential for both the standardization of phytopharmaceuticals and for their pharmacological and toxicological evaluation. Plants compounds, especially when combined in complex extracts, are characterized by high structural diversity and can target multiple molecular structures simultaneously. Drosera rotundifolia L., round-leaved sundew, contains a characteristic combination of flavonoids and naphthoquinones, which exhibit antibacterial, antioxidant, and spasmolytic effects. These compounds form the pharmacological basis for the plant’s traditional use in the treatment of respiratory diseases. However, its medicinal use has become increasingly restricted due to the significant decline in wild populations caused by decades of peatland drainage. Political initiatives for ecological restoration, such as the European Union’s Nature Restoration Law, open new perspectives for sustainable cultivation. In view of the global spread of multidrug-resistant pathogens, the pharmacological investigation of natural products is becoming a focus of research. A particularly relevant therapeutic area is the treatment of recurrent urinary tract infections, which are often caused by multidrug-resistant Escherichia (E.) coli strains. In these cases, the formation of bacterial biofilms significantly contributes to therapeutic failure and chronic progression. The aim of this thesis is to provide a scientific basis for the use of Drosera rotundifolia in medicine, to explore its pharmacological potential, and to support its standardized and quality-assured therapeutic use. This work follows an integrative research approach, organized around three main thematic areas: (i) the development of analytical quality criteria based on the methodology of the European Pharmacopoeia, (ii) the functional characterization of bioactive compounds with regard to antimicrobial, antivirulence, and anti-inflammatory effects, and (iii) an initial toxicological evaluation of the investigated extracts, fractions, and single compounds. To achieve this, analytical and bioanalytical techniques were employed. As raw material, Drosera rotundifolia cultivated on re-wetted peat moss areas in northern Germany was used. After extraction using ultrasound-assisted methods, the quantitative determination of characteristic flavonoids and naphthoquinones was performed via HPLC analysis. The antimicrobial and antivirulence potential of the extracts was investigated using in vitro models. Based on the results of the biological models, a bioactivity-guided fractionation was carried out to isolate and characterize active fractions and individual substances. Additionally, preliminary toxicological evaluations were conducted using standardized MTT cytotoxicity assays on epithelial cells, a 3D cell model, and the Galleria mellonella model. The extracts showed antifungal activity against Candida albicans and Candida maltosa, anti-inflammatory effects via inhibition of cyclooxygenase activity, and antibiofilm effects against three multidrug-resistant E. coli strains. Given the clinical importance of bacterial biofilms, the study placed particular emphasis on antibiofilm activity. Proteomic analyses showed an increased abundance of proteins involved in the synthesis and uptake of the siderophore enterobactin. Since siderophores enable pathogenic microorganisms to acquire iron in the iron-limited environment of the host, they are considered important virulence factors. Targeting this system thus represents a promising strategy to weaken bacterial virulence, particularly in uropathogenic E. coli strains. Cytotoxic assessment revealed an overall low level of cell toxicity for the extracts, however, the naphthoquinones 7-methyljuglone and plumbagin exhibited cytotoxic effects in the in vitro cell model. Findings from both efficacy and safety studies were incorporated into the quality control strategy. A minimum threshold was established for flavonoids, reflecting their contribution to antibiofilm activity. In addition, the comparatively high flavonoid content and specific flavonoid patterns of Drosera rotundifolia serve as a distinguishing feature from other Drosera species. Lower and upper limits were defined for the naphthoquinones to balance pharmacological activity and potential cytotoxicity. The analytical methods applied allowed for reliable determination of identity, purity, and constituent levels, thereby supporting the differentiation of Drosera rotundifolia from other sundew species. In summary, this thesis contributes to the scientific evaluation of a medicinal plant that is ecologically threatened yet pharmacologically promising. By integrating analytical quality control, pharmacological research, and initial toxicological assessment, it provides a scientific basis for developing phytotherapeutics that target bacterial virulence. The use of sustainable cultivation of Drosera rotundifolia on re-wetted peatlands not only enables resource-efficient use but also supports ecosystem restoration, biodiversity, and climate protection. This work exemplifies an integrative research approach aligned with the One Health concept, which recognizes the health of humans, animals, and the environment as intrinsically interconnected.