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Der Einsatz von Tierversuchen in Forschung und Entwicklung nimmt trotz fortschreitender Optimierung von Testmethoden und –verfahren weiter zu. Zeitgleich werden fortwährend neue Substanzen isoliert oder synthetisiert, deren Wirkungen auf den humanen Organismus und speziell das Immunsystem nicht bekannt sind. In vitro Methoden stellen deshalb sowohl eine günstige und schnelle als auch eine ethisch unbedenkliche Alternative zu Tierversuchen dar. In der vorliegenden Arbeit sollten proteom- und transkriptombasierte Methoden dazu dienen, immuntoxische Eigenschaften von Naturstoffen zu identifizieren und diese Verfahren als Alternative zu Tierversuchen zu etablieren. Dazu wurden zwei humane Immunzelllinien mit Naturstoffen behandelt und das intrazelluläre Proteom sowie das Transkriptom spezifischer Biomarker-Gene analysiert. Zusätzlich dienten weitere Methoden wie Metaboliten-, Zellzyklus- und Apoptoseanalysen sowie die Identifizierung intrazellulärer reaktiver Sauerstoffspezies dazu, Ergebnisse zu verifizieren oder zusätzliche Informationen zu erhalten. Wie zu erwarten war, zeigten die Proteomanalysen, dass sowohl immuntoxische als auch nicht-immuntoxische Substanzen eine breite Wirkung auf das intrazelluläre Proteom haben. Vor allem Proteine, die in den allgemeinen Metabolismus, zelluläre Prozesse und Prozesse der Informationsverarbeitung involviert sind, wurden durch die Behandlung mit den Substanzen in ihrer relativen Menge auf den 2D-Gelen verändert. Allein durch die Zuordnung von Proteinen zu Stoffwechselwegen war eine Abgrenzung immuntoxischer und nicht immuntoxischer Substanzen nicht möglich. Dennoch gibt die Methode einen Einblick in die Wirkungsweise der Substanzen, wodurch Wirkmechanismen entschlüsselt und Reaktionen auf das Immunsystem abgeleitet werden können. Dies wird vor allem nach der Behandlung der Zellen mit Tulipalin A und Helenalin deutlich, da auch allgemeine Stoffwechselwege wie die Purinsynthese und die anaerobe Glykolyse einen Einfluss auf das Immunsystem haben. Zusätzlich zu den allgemeinen Stoffwechselwegen wurden einzelne Proteine in ihrer Abundanz verändert, die in Reaktionen des Immunsystems wie der Zytokinbildung oder der Bildung von MHC-Molekülen involviert sind. Außerdem konnten Biomarker für Immuntoxizität auf Proteomebene entwickelt werden. Mit Hilfe dieser Daten war eine Klassifizierung der Substanzen nach ihrer Immuntoxizität möglich. Anhand dieser Analysen wurden die Testsubstanzen Tulipalin A, Helenalin, Vincristin und Cannabidiol als immuntoxisch klassifiziert. Die Klassifizierung der Substanzen als immuntoxisch aufgrund der Biomarker-Proteine und Stoffwechselwege konnte durch die Anwendung von Transkriptom-Biomarkern bestätigt werden. Neben den über 2D-Gelelektrophorese-basierten Proteomanalysen getesteten Substanzen wurden auch Bisphenol A und Ergosterolperoxid aufgrund der Transkriptombiomarker als immuntoxisch klassifiziert. Agaritin und p-Tolylhydrazin sowie der Bisphenol A bis(2,3-dihydroxypropyl) ether haben keine immuntoxische Wirkung. Neben den Proteom-basierten Methoden dient der entwickelte Entscheidungsbaum basierend auf verschiedenen Methoden als Grundlage für die Immuntoxiztätsklassifizierung. Mit dem erstellten Entscheidungsbaum konnten beispielsweise Cyclosporin A, Helenalin und Tulipalin A durch die Anwendung gezielter Tests als immuntoxisch eingestuft werden, während Mannitol als nicht-immuntoxisch bestätigt wurde. Zusammenfassend war es mittels in vitro Methoden möglich, die Immuntoxizität verschiedener Naturstoffe zu identifizieren. Neben Proteom-basierten Methoden wurden auch Transkriptom- sowie funktionelle und Metabolomanalysen genutzt. Eine Validierung der Ergebnisse mit weiteren bekannten immuntoxischen und nicht-immuntoxischen Substanzen würde eine Anwendung als Alternative zu Tierversuchen für eine erstes Screening Testung neuer Substanzen ermöglichen und so sowohl Zeit und Kosten sparen als auch ethische Bedenken minimieren.

Unlike the native surface of the implant material (Ti6Al4V), oxidation with H2O2 leads to increased binding of the effective antimicrobial agent poly(hexamethylene) biguanide [PHMB]. However, treating with NaOH instead results in an even higher PHMB mass coverage. After oxidation with H2O2, strong differences in the PHMB adsorption capability between polished and corundum-blasted surfaces appear, indicating a roughness dependence. After NaOH treatment, no such effect was observed. The wetting properties of specimens treated with either H2O2 or NaOH prior to PHMB exposure clearly varied. To unravel the nature of this interaction, widespread in silico and in vitro experiments were performed. Methods: By X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, water contact angle measurements and MD simulations, we characterized the interplay between the polycationic antimicrobial agent and the implant surface. A theoretical model for PHMB micelles is tested for its wetting properties and compared to carbon contaminated TiO2. In addition, quantitation of anionic functional group equivalents, the binding properties of PHMB with blocked amino end-group, and the ability to bind chlorhexidine digluconate (CHG) were investigated. Ultimately, the capability of osteoblasts to build calcium apatite, and the activity of alkaline phosphatase on PHMB coated specimens, were determined. Results: Simulated water contact angles on carbon contaminated TiO2 surfaces and PHMB micelle models reveal little influence of PHMB on the wetting properties and point out the major influence of remaining and recovering contamination from ambient air. Testing PHMB adsorption beyond the critical micelle concentration and subsequent staining reveals an island-like pattern with H2O2 as compared to an evenly modified surface with NaOH. Both CHG and PHMB, with blocked amino end groups, were adsorbed on the treated surfaces, thus negating the significant influence of PHMB’s terminal groups. The ability of osteoblasts to produce calcium apatite and alkaline phosphatase is not negatively impaired for PHMB mass coverages up to 8 μg/specimen. Conclusion: Differences in PHMB adsorption are triggered by the number of anionic groups and carbon contaminants, both of which depend on the specimen pre-treatment. With more PHMB covering, the implant surface is protected against the capture of new contamination from the ambient air, thus building a robust antimicrobial and biocompatible surface coating.