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Die Kenntnis über die im Gastrointestinaltrakt ablaufenden Prozesse spielt in der Entwicklung neuer Arzneiformen eine entscheidende Rolle. Besonders im Dickdarm ist dabei neben den physiologischen Bedingungen die bakterielle Besiedlung zu beachten, welche sowohl inter- als auch intraindividuell hoch variabel ist. Bislang gibt es keine einheitliche Methode zur Untersuchung des Einflusses der intestinalen Mikrobiota auf die Metabolisierung von Arzneistoffen. Diese Methoden sind jedoch entscheidend für das Verständnis des Einflusses der bakteriellen Metabolisierung auf die Pharmakokinetik und -dynamik der Arzneistoffe. Übergeordnetes Ziel dieser Arbeit war es, ein In vitro-Modell zu entwickeln und anzuwenden, welches die dynamischen Bedingungen im Colon ascendens, insbesondere im Hinblick auf die pH-Werte, Durchmischung und bakterielle Besiedlung, darstellt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde im Rahmen erster Versuche untersucht, wie es sowohl mit monographierten als auch biorelevanten Modellen möglich ist, die mechanische Belastung, die auf eine Arzneiform im GIT ausgeübt wird, darzustellen. Die Verwendung der SmartPill™ eröffnete die Möglichkeit, in den Apparaturen auftretende Drücke aufzuzeichnen. Außerdem konnten die gemessenen Drücke anschließend mit Daten aus In vivo-Studien verglichen werden. Die Untersuchungen ergaben, dass in den monographierten Apparaturen keine Drücke auftreten, die den während der Magen-Darm-Passage auftretenden Drücken entsprechen. Im Gegensatz dazu können im DOFTA gezielt Drücke und so auch vollständige Druckprofile simuliert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit waren die zuvor gewonnenen Erkenntnisse hilfreich für die Entwicklung des neuen Modells zur Darstellung des Colon ascendens. In das MimiCol wurden pH-Wert-Daten aus einer SmartPill™-Studie implementiert. Die Vorteile des neuartigen Bioreaktors MimiCol sind das kleinere Medienvolumen, das den In vivo-Bedingungen näherkommt, die Möglichkeit, Medienwechsel durchzuführen und dadurch Metabolite abzuführen und neue Nährstoffe hinzuzufügen sowie die genauere Simulation von In vivo-Durchmischungsmustern. Ziel der durchgeführten Untersuchung war der Vergleich der Metabolisierung des Modellarzneistoffs Sulfasalazin in dem neuartigen dynamischen Bioreaktor MimiCol und einem statischen Standard-Batch-Fermenter. Beide wurden mit der gleichen, kryokonservierten fäkalen Standardmikrobiota beimpft. Die Experimente zeigten, dass das MimiCol in der Lage ist, die dynamischen Bedingungen im aufsteigenden Dickdarm zu simulieren. Die dynamischen Bedingungen im MimiCol führten zu einer Verdopplung der Metabolisierungskonstanten im Vergleich zum statischen Batch-Fermenter. Das MimiCol ahmt, besonders in Bezug auf pH-Fluktuationen und Bakterienwachstum, die dynamischen Bedingungen im aufsteigenden Dickdarm nach und könnte sich in allen Phasen der Arzneimittel- und Formulierungsentwicklung als nützlich erweisen. Zur Erleichterung und Beschleunigung der Datengenerierung wurde im nächsten Schritt eine Erweiterung des Modells angestrebt. Hierbei war es die größte Herausforderung, die ursprünglichen Parameter auf ein erweitertes Modell mit einer anderen Steuerung und anderen Komponenten zu übertragen. Außerdem wurde in diesem Zuge die Charakterisierung komplexer Bakterienkulturen mittels 16S rRNA-Sequenzierung eingeführt. Bei der Erweiterung des Modells wurde besonderes Augenmerk auf die Einfachheit des Designs und die leichte Skalierbarkeit gelegt. Um zu beweisen, dass die Übertragung der Parameter erfolgreich war, wurde erneut der Abbau von Sulfasalazin untersucht und die bakterielle Zusammensetzung während des Experiments durch 16S rRNA-Sequenzierung analysiert. Die Übertragung der Versuchsbedingungen auf das neue Modell war erfolgreich. Kommerziell erhältliche Komponenten wurden in den Aufbau implementiert. Das Modell MimiCol³ repräsentierte das Colon ascendens in seinen Eigenschaften bezüglich des Volumens, pH-Werts und Redoxpotentials zufriedenstellend. Die 16S rRNA-Sequenzierung führte zu weiteren Erkenntnissen über die bakterielle Zusammensetzung in den drei Gefäßen. Der Abbau von Sulfasalazin stand in guter Übereinstimmung mit den In vivo-Daten und den im MimiCol gewonnenen Daten. Das neue Modell des Colon ascendens MimiCol³ ermöglichte es, zuverlässigere Daten zu sammeln, da drei Experimente gleichzeitig unter denselben Bedingungen durchgeführt wurden. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass ein wichtiges Instrument zur Untersuchung des Einflusses unseres Mikrobioms im Darm auf den Abbau von Arzneistoffen und Arzneiformen entwickelt wurde.

Die Kv7-Kaliumkanalöffner Flupirtin und Retigabin waren wertvolle Alternativen bei der Pharmakotherapie von Schmerzen und Epilepsie. Beide Wirkstoffe werden aufgrund von unerwünschten Arzneimittelwirkungen derzeit jedoch nicht mehr eingesetzt. Die Flupirtin-induzierte Hepatotoxizität und die durch Retigabin hervorgerufenen Gewebeverfärbungen scheinen dabei auf den ersten Blick nicht zusammenzuhängen. Gleichwohl lassen sich wahrscheinlich beide Nebenwirkungen auf das gemeinsame oxidationsempfindliche Triaminoaryl-Grundgerüst zurückführen, welches zur Bildung von reaktiven Chinondiimin-Metaboliten neigt. Da hingegen der Wirkungsmechanismus, d. h. die Öffnung der Kv7-Kanäle, nicht an der Toxizität beteiligt zu sein scheint, hatte diese Arbeit zum Ziel, sicherere Alternativen für Flupirtin und Retigabin zu entwickeln. In einem Liganden-basierten Ansatz wurde eine Umgestaltung des Triaminoaryl-Kerns, den beide Wirkstoffe gemeinsam haben, vorgenommen, was zu Carba-Analoga führte, die durch eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit sowie ein vernachlässigbares Risiko für die Bildung von chinoiden Metaboliten charakterisiert sind. Zusätzlich zu diesen verbesserten Sicherheitsmerkmalen offenbarten einige der neuartigen Derivate eine überlegene Kv7.2/3-Kanalöffnungsaktivität. Im Vergleich zu Flupirtin konnte die Potenz der Verbindungen um den Faktor 150 gesteigert werden, während die intrinsische Aktivität auf bis zu 176 % verbessert werden konnte, was die betreffenden Carba-Analoga zu vielversprechenden Kandidaten für eine weitergehende Entwicklung macht. Andererseits ermöglichten einige inaktive Verbindungen sowie die insgesamt deutlich abgestuften Kv7.2/3-Aktivitätsdaten die Etablierung von validen Struktur-Wirkungs-Beziehungen und Hypothesen zum Bindungsmodus, die mit Dockingergebnissen und Molekulardynamik-Simulationen korrelierten.

Abstract Neutrophils are the most abundant leukocytes in circulation playing a key role in acute inflammation during microbial infections. Phagocytosis, one of the crucial defence mechanisms of neutrophils against pathogens, is amplified by chemotactic leukotriene (LT)B4, which is biosynthesized via 5‐lipoxygenase (5‐LOX). However, extensive liberation of LTB4 can be destructive by over‐intensifying the inflammatory process. While enzymatic biosynthesis of LTB4 is well characterized, less is known about molecular mechanisms that activate 5‐LOX and lead to LTB4 formation during host–pathogen interactions. Here, we investigated the ability of the common opportunistic fungal pathogen Candida albicans to induce LTB4 formation in neutrophils, and elucidated pathogen‐mediated drivers and cellular processes that activate this pathway. We revealed that C. albicans‐induced LTB4 biosynthesis requires both the morphological transition from yeast cells to hyphae and the expression of hyphae‐associated genes, as exclusively viable hyphae or yeast‐locked mutant cells expressing hyphae‐associated genes stimulated 5‐LOX by [Ca2+]i mobilization and p38 MAPK activation. LTB4 biosynthesis was orchestrated by synergistic activation of dectin‐1 and Toll‐like receptor 2, and corresponding signaling via SYK and MYD88, respectively. Conclusively, we report hyphae‐specific induction of LTB4 biosynthesis in human neutrophils. This highlights an expanding role of neutrophils during inflammatory processes in the response to C. albicans infections.

Natural products comprise a rich reservoir for innovative drug leads and are a constant source of bioactive compounds. To find pharmacological targets for new or already known natural products using modern computer-aided methods is a current endeavor in drug discovery. Nature’s treasures, however, could be used more effectively. Yet, reliable pipelines for the large-scale target prediction of natural products are still rare. We developed an in silico workflow Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 7102; doi:10.3390/ijms21197102 www.mdpi.com/journal/ijms Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 7102 2 of 18 consisting of four independent, stand-alone target prediction tools and evaluated its performance on dihydrochalcones (DHCs)—a well-known class of natural products. Thereby, we revealed four previously unreported protein targets for DHCs, namely 5-lipoxygenase, cyclooxygenase-1, 17β-hydroxysteroid dehydrogenase 3, and aldo-keto reductase 1C3. Moreover, we provide a thorough strategy on how to perform computational target predictions and guidance on using the respective tools.

Transcription factors play a crucial role in regulating biological processes such as cell growth, differentiation, organ development and cellular signaling. Within this group, proteins equipped with zinc finger motifs (ZFs) represent the largest family of sequence-specific DNA-binding transcription regulators. Numerous studies have proven the fundamental role of BCL11B for a variety of tissues and organs such as central nervous system, T cells, skin, teeth, and mammary glands. In a previous work we identified a novel atypical zinc finger domain (CCHC-ZF) which serves as a dimerization interface of BCL11B. This domain and formation of the dimer were shown to be critically important for efficient regulation of the BCL11B target genes and could therefore represent a promising target for novel drug therapies. Here, we report the structural basis for BCL11B–BCL11B interaction mediated by the N-terminal ZF domain. By combining structure prediction algorithms, enhanced sampling molecular dynamics and fluorescence resonance energy transfer (FRET) approaches, we identified amino acid residues indispensable for the formation of the single ZF domain and directly involved in forming the dimer interface. These findings not only provide deep insight into how BCL11B acquires its active structure but also represent an important step towards rational design or selection of potential inhibitors.