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Marine bacteria represent the most diverse organisms in the marine environment. The majority of these microbes is unknown and unculturable. Algae represent the main nutrient source for bacteria. Macro- and microalgae can consist to 70% of polysaccharides. The metabolic degradation of marine polysaccharides is underexplored and thus these mechanisms have to be investigated. These mechanisms are of high importance to generate defined oligosaccharides for the medical and pharmaceutical applications. The specific structure of marine poly- and oligosaccharides show antiviral activities, e.g. carrageenans from red algae are used for the inhibition of human papillomavirus. Another alginate derived marine polysaccharide show inhibition of the replication of the human immunodeficiency virus (HIV). The degradation mechanisms of marine CAZymes and the structure of marine polysaccharides should be further investigated for their high potential of antiviral activities and the creation of new marine drugs. Many marine bacteria produce membrane extension like membrane vesicles or appendages but the function of these is poorly understood. In order to investigate their function, especially concerning polysaccharide utilization, proteomic analyses of subcellular compartments were performed. Microscopy analyses revealed that, beside MV, P. distincta forms different appendages, vesicle chains (VC) and thin filaments which were dedicated to extracellular polymeric substance. The formation of MV and VC was independent of growth phase or carbon source. The proteomic data showed that transporters end enzymes for the initial degradation of pectin and alginate were highly abundant in these membrane extensions and that there could be a kind of sorting for proteins in the membrane extensions. Additionally, two PUL encoded alkaline phosphatases and other phosphate acquiring enzymes were abundant in the MV and VC fractions. This indicates, that P. distincta constitutively produces enzymes for phosphate uptake, which would be necessary in the phosphate-limiting environment of the Southern Ocean. On the one hand marine bacteria produce membrane extensions in order to create a larger surface in the nutrient limiting marine environment for an increased chance to get in contact to nutrients and on the other hand the results indicate an accumulation of enzymes responsible for uptake and degradation of carbohydrates and phosphates in the MV and VC. Therefore, the membrane extensions act as nutrient traps and this might be beneficial for the bacteria in the diffuse aquatic environment. The microbial community structure and the metabolism of bacteria in the Southern Ocean are very poorly investigated. The SO is a harsh environment for all organism but nevertheless, the SO is of high importance for the climate in the world due to the high carbon dioxide uptake. In this study water samples from two different sampling sites (S1 and S2) in the SO were investigated. With a metagenomic and metaproteomic approach the key players and the metabolic activity were analyzed. Additionally, the surface water was inoculated with pectin and incubated for several days in order to analyze polysaccharide utilization loci for pectin degradation and to isolate new pectin degraders. 16S-rDNA analyses revealed the bacterial community from the genomic data. Bacteria were separated in particle-associated and free-living bacteria. The overall particle associated bacterial community at both sampling sites was comparable, with Bacteroidetes and Gammaproteobacteria as the abundant phylum. Within the Gammaproteobacteria the Alteromonadaceae and Colwelliaceae were more abundant at S2 than at S1. The free-living bacteria at S1 were dominated by the Alphaproteobacteria, especially the SAR11 clade I. Metagenomic analyses showed that both sampling sites had comparable PUL composition, but taxonomical classification of PULs was differently. The metaproteome data revealed that PUL encoded enzymes were not highly abundant. Only few CAZymes were found, mostly TonB-dependent transporters belonged to the detected PUL proteins. Taxonomical classification of proteins showed differences between the sampling sites. At S2 the genus Colwellia and Arcobacter were highly increased compared to S1. At this location Candidatus Pelagibacter, Planktomarina and Polaribacter were the abundant taxa. The functional classification at both sampling sites was comparable. The only difference was the high abundance of Epsilonproteobacteria at S2 referable to the Arcobacter species. Nevertheless, the notably taxonomical differences could not be explained by the proteomic data and the functional classification, because no specific metabolic function could be highly addressed to these bacteria. These results assumed that different abundance of the key players could be explained by different environmental conditions. The pectin enriched cultured at both sampling sites were investigated for the functional potential of pectin degrading enzymes. No metaproteomic approach could be performed due to less sampling material. Only one PUL for the degradation of rhamnogalacturonan, a component of pectin, was found at S1. In contrast, bacteria grown on pectin could be isolated from these samples. Genome sequencing of five isolates showed that functional potential of pectin degradation is available. Due to the limitations of sequence alignments, it was not possible to detect a PUL responsible for pectin utilization in the metagenomic data. The results show that the polysaccharide degradation mechanism in the Southern Ocean has to be more investigated to get knowledge about the bacterial activity in the ocean’s surface and the carbon turnover in this underexplored environment.

Der 3D-Druck hat in den vergangenen Jahren einen enormen Interessenzuwachs erzeugt. Aufgrund der einfachen Zugänglichkeit und Bedienbarkeit und aufgrund seiner enormen Möglichkeiten als additive Fertigungstechnologie ist das große Potenzial dieser Technologie auch im pharmazeutischen Bereich nicht verborgen geblieben. Daraus hat sich ein Hype ergeben, welcher 2015 sogar in der Zulassung des ersten 3D-gedruckten Fertigarzneimittels Spritam® durch die FDA resultierte. Jedoch ist dieses Präparates gleichzeitig auch ein gutes Beispiel für die Limitationen des 3D-Druckes. Die Herstellung einer 3D-gedruckten Spritam®-Tablette kostet ein Vielfaches im Vergleich zur Herstellung mit konventioneller Tablettierung. Daraus ergibt sich fast schon zwangsläufig, dass der 3D-Druck sich nicht als Technologie zu Herstellung klassischer oraler Darreichungsformen eignet. Seine Möglichkeiten liegen viel mehr im Gebiet der Individualisierung von Arzneiformen und der Entwicklung von Arzneiformen und Medizinprodukten. Hier kann das Potenzial dieser Technologie wesentlich effizienter ausgeschöpft werden. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, den 3D-Druck zu nutzen, um innovative und individualisierbare Darreichungsformen zu entwickeln. Außerdem sollte mittels 3D-Druck eine Applikationshilfe für eine innovative Darreichungsform entwickelt werden. Auch die Herstellung von Minitabletten für die pädiatrische Anwendung wurde untersucht. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass der 3D-Druck vielfältige Anwendung in der Pharmazie finden kann. So konnten unter Nutzung des 3D-Druckes lebensmittelechte Applikatoren hergestellt werden, die die In vivo-Testung der innovativen Darreichungsform EsoCap erst ermöglichte und so im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die prinzipielle Funktionalität dieser Darreichungsform zeigte. Dabei bietet der 3D-Druck im Rapid Prototyping den Vorteil, dass es sich um eine vergleichsweise günstige und schnell zu realisierende Technik handelt. Weiterhin bieten die leichte Bedienbarkeit, die realisierbare Formenvielfalt, eine Vielzahl zur Verfügung stehender Filamente mit unterschiedlichsten Eigenschaften und der niederschwellige Zugang zu dieser Technologie auch Personen ohne entsprechenden Hintergrund die Möglichkeit zur Prototypenentwicklung. Dies ermöglicht eine schnelle und angepasste Entwicklung ohne weitere Beteiligung externer Institute oder Dienstleiter. Darüber hinaus kann der 3D-Druck auch Anwendung in der Modifizierung von Freisetzungstestern finden oder zur Ersatzteilproduktion dienen. Auch zur Herstellung von Darreichungsformen mit neuartigen Freisetzungsmechanismen kann der 3D-Druck genutzt werden. Dabei zeigte sich in der durchgeführten In vivo-Studie an Hunden, dass eine prinzipielle Herstellung mittels 3D-Druck möglich ist, aber auch Limitationen, speziell des FDM-basierten 3D-Druckes, aufweist. So zeigte sich eine mangelnde Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der drucksensitiven Arzneiform, die wahrscheinlich dazu führte, dass bei der Hälfte der Applikationen bei den Versuchstieren die Kapsel nicht durch die physiologischen Kräfte zerstört wurde und so keinen Wirkstoff freisetzte. Hierbei bleibt anzumerken, dass durch Nutzung alternativer additiver Herstellungsverfahren im Rahmen weiterer Untersuchungen diese Problematik weiter erforscht werden kann. Nichtsdestotrotz ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung von Darreichungsformen mit neuartigen Freisetzungsmechanismen, die mittels konventionellen Herstellungstechniken schwer beziehungsweise gar nicht hergestellt werden können. Im letzten Punkt dieser Arbeit wurde der 3D-Druck als alternatives Herstellungsverfahren für pädiatrische Arzneimittel untersucht. Dazu wurden Minitabletten mit unterschiedlichen Durchmessern unter Variation der Wirkstoffe und Polymere hergestellt. Dabei zeigte sich, dass der 3D-Druck sowohl die Möglichkeit bietet, über die Variation der Anzahl applizierter Minitabletten als auch über die Variation der Größe eine Dosisindividualisierung vorzunehmen. Die so hergestellten Arzneimittel entsprachen dabei auch den Vorgaben des europäischen Arzneibuches hinsichtlich der Massegleichförmigkeit. Damit konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von Minitabletten mittels 3D-Druck eine Alternative zu der konventionellen Kapselherstellung darstellt. Dabei bleibt anzumerken, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um weitere, im Bereich der Pädiatrie eingesetzten Arzneistoffe auf ihre Eignung für die Schmelzextrusion und den 3D-Druck zu untersuchen. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die Verwendung additiver Herstellungsverfahren wie der FDM-basierte 3D-Druck in der Pharmazie auf unterschiedlichste Weise Anwendung finden kann. So können zum einen schnell, einfach und auch kostengünstig Prototypen und auch Ersatzteile hergestellt werden. Dieser Aspekt und die Tatsache, dass auch ohne umfangreiche Schulungen der 3D-Druck nutzbar ist, zeigen auf, dass der 3D-Druck ein nützliches Werkzeug im Bereich des Rapid Prototypings von Applikationshilfen, aber auch im Bereich der Entwicklung von biorelevanten Testmodellen darstellt. Auch können durch die Nutzung des 3D-Druckes neuartige, innovative Freisetzungssysteme hergestellt und getestet werden. Darüber hinaus schaffen additive Fertigungstechniken weiterhin die Möglichkeit, mögliche Alternativen im Bereich der Herstellung pädiatrischer Arzneimittel herzustellen.

Previous research identified veterinary clinics as hotspots with respect to accumulation and spread of multidrug resistant extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli (EC). Therefore, promoting the prudent use of antibiotics to decrease selective pressure in that particular clinical environment is preferable to enhance biosecurity for animal patients and hospital staff. Accordingly, this study comparatively investigated the impact of two distinct perioperative antibiotic prophylaxis (PAP) regimens (short-term versus prolonged) on ESBL-EC carriage of horses subjected to colic surgery. While all horses received a combination of penicillin/gentamicin (P/G) as PAP, they were assigned to either the “single-shot group” (SSG) or the conventional “5-day group” (5DG). Fecal samples collected on arrival (t0), on the 3rd (t1) and on the 10th day after surgery (t2) were screened for ESBL-EC. All isolates were further investigated using whole genome sequences. In total, 81 of 98 horses met the inclusion criteria for this study. ESBL-EC identified in samples available at t0, t1 and t2 were 4.8% (SSG) and 9.7% (5DG), 37% (SSG) and 47.2% (5DG) as well as 55.6% (SSG) and 56.8% (5DG), respectively. Regardless of the P/G PAP regimen, horses were 9.12 times (95% CI 2.79–29.7) more likely to carry ESBL-EC at t1 compared to t0 (p < 0.001) and 15.64 times (95% CI 4.57–53.55) more likely to carry ESBL-EC at t2 compared to t0 (p < 0.001). ESBL-EC belonging to sequence type (ST) 10, ST86, ST641, and ST410 were the most prevalent lineages, with blaCTX–M–1 (60%) being the dominant ESBL gene. A close spatio-temporal relationship between isolates sharing a particular ST was revealed by genome analysis, strongly indicating local spread. Consequently, hospitalization itself has a strong impact on ESBL-EC isolation rates in horses, possibly masking differences between distinct PAP regimens. The results of this study reveal accumulation and spread of multi-drug resistant ESBL-EC among horses subjected to colic surgery with different P/G PAP regimens, challenging the local hygiene management system and work-place safety of veterinary staff. Moreover, the predominance of particular ESBL-EC lineages in clinics providing health care for horses needs further investigation.