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Enzymes, the driving biocatalysts in living organisms, are typically not suited for large-scale industrial use. In the last decade, enzyme engineering has evolved into the key technology to design tailor-made enzymes for chemical and pharmaceutical applications. We highlight current trends in enzyme engineering and biocatalysis based on outstanding examples from the pharmaceutical industry.
Ziel der Arbeit war es, Mono-Dithiolen-Vanadiumkomplexe zu synthetisieren, die als Katalysatoren in Oxidationsreaktion von prochiralen Sulfiden zu chiralen Sulfoxiden getestet werden sollten.
Es konnten verschiedene Ansätze entwickelt werden, die vielversprechend waren, um durch weitere Forschung Mono-Dithiolen-Vanadiumkomplexen erhalten zu können.
Insbesondere konnte eine universell anwendbare Syntheseroute für die Verwendung von aliphatischen Dithiolenen in der Komplexsynthese erfolgreich gezeigt werden. Außerdem wurden neue Kristallstrukturen verschiedener Dithiolen-Vanadiumkomplexe erhalten.
Die Dissertation beschreibt die Synthese verschiedener Nukleosidanaloga mit den notwendigen Modifizierungen und Funktionalitäten für einen Einsatz in der Phosphoramidit-basierten chemischen Oligonukleotidsynthese an fester Phase. Im Rahmen der Arbeit wurde ein nicht-kanonisches Desoxyadenosinderivat ausgehend von Allopurinol hergestellt. Außerdem wurden verschiedene Azid-modifizierte Nukleoside synthetisiert und Untersuchungen zur Herstellung eines Borono-modifizierten Adenosinderivats durchgeführt. Des Weiteren wurde ein Verfahren zur Bestimmung der Stabilität der Azidogruppe unter Standardbedingungen der Phosphoramidit-basierten chemischen Oligonukleotidsynthese demonstriert.
In dieser Doktorarbeit konnte in zwei verschiedenen experimentellen Modellen der chronischen Pankreatitis in C57BL/6 Mäusen gezeigt werden, dass die chronische Pankreatitis mit einem Gewichtsverlust und einer Verminderung der muskuloskelettalen Kraft assoziiert sind. Untersuchungen im Kleintier-MRT belegten eine signifikante Verminderung des Durchmessers des Quadrizepsmuskels in beiden Modellen. Auf Proteinebene fanden sich im Skelettmuskel von Mäusen mit chronischer Pankreatitis Expressionssteigerungen von growth differentiation factor 8 (GDF8) und Muscle RING-finger protein-1 (MuRF1). Auf mRNA Ebene konnten wir zeigen, dass Activin A und das transforming growth factor β (TGFβ) in beiden Modellen erhöht waren, wohingegen Follistatin und teilweise auch Inhibin A vermindert waren. Die Anzahl apoptotischer Zellen stieg im Quadrizepsmuskel in beiden Modellen signifikant an, was darauf schließen lässt, dass die Apoptose beim Muskelabbau eine Rolle spielt. Des Weiteren fanden sich in Mäusen mit chronischer Pankreatitis und Sarkopenie Veränderungen des Serummetaboloms und des Stuhlmikrobioms, die jedoch in Abhängigkeit des verwendeten Modells stark variierten. Modellübergreifend war eine Vermehrung von Akkermansia spp. in der chronischen Pankreatitis nachweisbar.
Monodithiolenkomplexe des Wolframs und des Molybdäns des Typs [M(CO)2(dt)(PP)] (M= Mo, W; dt= Dithiolen; PP= Bisphosphan) waren bisher nur wenig zugänglich und entsprechend kaum untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diverse Variationen an Dithiolen- und Phosphan-Liganden eingeführt und die erhaltenen Komplexe umfassend charakterisiert. Ein besonderer Fokus wurde hierfür auf die redoxbasierte Reaktivität dieser spannenden Komplexklasse gelegt, sodass eine Aktivierung von molekularem Stickstoff im Rahmen einer Kleinmolekülaktivierung ermöglicht werden sollte. Während der Untersuchungen konnte ein erstes Beispiel für die Generierung eines Dithiolen-Sulfonium-Liganden basierend auf einer Reaktivität gegenüber dem Kleinmolekül Dichlormethan erhalten werden.
Immunogenität von Hautkrebszellen und dem Modellprotein Ovalbumin nach einer Kaltplasma-Behandlung
(2021)
Eine Behandlung von Tumoren mit physikalischem Kaltplasma zeigt eine erhöhte Toxizität und ein reduziertes Tumorwachstum. Zeitgleich werden während einer Behandlung mit Plasma eine Vielzahl an reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS) generiert, welche Immunzellen stimulieren können. Viele neue Therapieansätze bestreben nicht nur eine Tumortoxizität, sondern auch eine Förderung der körpereigenen, da diese häufig durch Mechanismen der Tumorzellen unterdrückt wird. Zu solchen Therapien zählen checkpoint inhibitoren, Vakzinierungen oder ein adaptiver Zelltransfer mit transgenen oder vor-stimulierten Zellen. Die dadurch geförderte Antitumor-Immunantwort basiert grundlegend auf einem mehrphasigen Prozess. Dieser beginnt mit einer Antigen-unspezifischen frühen Phase, in der das innate Immunsystem aktiviert wird und zu einer Vermehrung und Differenzierung von Antigen-spezifischen CD4+ und CD8+ T-Zellen führt. Da während einer Entzündungsreaktion viele RONS gebildet werden, um Fremdkörper zu eliminieren und Immunzellen zu rekrutieren, ist eine Therapie mit RONS naheliegend. Durch die Anwendung von Kaltplasma können die gebildeten RONS zum Entzündungsgeschehen beitragen und Zellen des innaten und adaptiven Immunsystems stimulieren. Eine veränderte Immunogenität von Tumorzellen sowie eine daraus resultierende direkte Aktivierung von Immunzellen im Kontext einer Antitumor-Immunantwort wurden nach einer Behandlung mit Jet-Plasmen bislang nicht untersucht.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Kaltplasma-Behandlung von Hautkrebszellen und eines Modellantigens unter Berücksichtigung einer Antitumor-Immunantwort durch natürliche Killerzellen des innaten Immunsystems sowie adaptive Immunzellen in vitro und in vivo untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine Behandlung mit Kaltplasma zu einer erhöhten Tumortoxizität führt und das Repertoire der Oberflächenmoleküle auf Tumorzellen verändert. In vivo wurde eine vermehrte Infiltration von Immunzellen in das Tumormikromilieu beobachtet, welche mit einer erhöhten Aktivierung von Lymphozyten und Konzentrationen immunstimulatorischer Zytokine einherging. Durch die zeitgleich reduzierten Tumorgrößen, ist eine durch Immunzellen vermittelte Tumortoxizität als Erklärung naheliegend. In zwei Vakzinierungsstudien konnte die Immunogenität von Plasma-behandelter Tumorzellen und einem Tumorassoziierten Modellantigen bestätigt werden.
Die akute Pankreatitis ist durch eine vorzeitige Aktivierung von Verdauungsenzymen noch innerhalb der Azinuszellen gekennzeichnet. Die lysosomale Hydrolase Cathepsin B (CTSB) spielt hierbei eine entscheidende Rolle, indem sie Trypsinogen zu Trypsin aktiviert. Für die Trypsinogenaktivierung durch CTSB ist eine Co-Lokalisierung beider Enzyme innerhalb desselben subzellulären Kompartiments erforderlich. Ziel dieser Arbeit war es, die Regulation der CTSB-Aktivität durch den Cysteinprotease-Inhibitor Cystatin C im Verlauf der akuten und chronischen Pankreatitis näher zu untersuchen.
Subzelluläre Fraktionierungsexperimente zeigten eine deutliche Lokalisation von Cystatin C und aktiven Cathepsin B im sekretorischen Kompartiment muriner Azinuszellen. Immunofluoreszenzfärbungen zeigten ebenfalls, dass Cystatin C zusammen mit der pankreatischen Amylase im sekretorischen Kompartiment von Azinuszellen lokalisiert ist. Auch in humanen Probenmaterial konnten wir zeigen, dass Cystatin C im sekretorischen Kompartiment lokalisiert ist und auch sekretiert wird. Experimente mit rekombinanten Proteinen zeigten eine deutliche pH-abhängige inhibitorische Wirkung von Cystatin C auf Cathepsin B. Unter sauren pH Bedingungen dimerisiert Cystatin C und ist somit nicht mehr in der Lage die Aktivität von CTSB zu inhibieren. Weiterhin konnten wir zeigen, dass aktives Trypsin Cystatin C prozessiert. Bei dieser Spaltung entsteht ein Cystatin C-Fragment, welches nicht mehr in der Lage ist, CTSB zu inhibieren, sondern vielmehr die auto-inhibitorische Kapazität von Cathepsin B unterbindet und somit die Aktivität stabilisiert. Neben Cystatin C wird in Azinuszellen auch Cystatin B exprimiert, ein weiterer Inhibitor der Cystein-Proteasen. Im Gegensatz zu Cystatin C ist Cystatin B exklusiv im cytosolischen Kompartiment der Azinuszelle lokalisiert. Dies ist wahrscheinlich ein Schutzmechanismus, welcher die Zelle vor einer cytosolischen Cathepsin-Aktivität schützen soll. Die genetische Deletion von Cystatin C im Mausmodell der akuten Pankreatitis führte zu einer erhöhten Aktivität sekretorischer Proteasen in Azinuszellen, sowie im Gesamthomogenat und in subzellulären Fraktionen. Dementsprechend zeigte sich auch ein deutlich erhöhter Schweregrad in der akuten und chronischen Pankreatitis.
Unsere Experimente lassen vermuten, dass die Aktivität von Cathepsin B unter physiologischen Bedingungen durch Cystatin C unterbunden wird, um so eine verfrühte Aktivierung des Trypsinogens zu verhindern. Im Verlauf der Pankreatitis wird dieser protektive Mechanismus jedoch überwunden. Die Aktivität von Cathepsin B steigt deutlich in der schweren Zymogengranula-Fraktion an, trotz der Präsenz von Cystatin C.
Zusammenfassend lassen unsere Ergebnisse vermuten, dass prozessiertes (aktives) Cathepsin B selbst unter physiologischen Bedingungen im sekretorischen Kompartiment von Azinuszellen bereits vorhanden ist. Seine Aktivität wird dort durch Cystatin C inhibiert, wodurch eine vorzeitige, durch CTSB induzierte Trypsinogenaktivierung verhindert wird. Die Ansäuerung der sekretorischen Vesikel, wie bei der Pankreatitis, verringert die CTSB-Hemmung durch Cystatin C, während es gleichzeitig zu einer Cystatin C-Degradation durch Trypsin kommt. Dies ermöglicht eine verlängerte und pH-unempfindliche Protease-Aktivierung über CTSB in der Anfangsphase der Pankreatitis. Cystatin C spielt somit eine wesentliche Rolle für die Regulation der CTSB-Aktivität im sekretorischen Kompartiment von Azinuszellen und stellt damit einen entscheidenden pathophysiologisch relevanten Mechanismus für die akute und chronische Pankreatitis dar.
Die Pankreatitis ist eine relativ häufige gastrointestinale Erkrankung deren Pathomechanismus bisher nicht vollständig geklärt wurde. Besonders die Rolle des Immunsystems scheint einen wichtigen Einfluss auf den Verlauf dieser Erkrankung zu haben. Gut charakterisiert ist bereits die initiale lokale Immunantwort. Zerstörte Azinuszellen setzten DAMPs (engl. damage-associated molecular pattern) frei, die wiederum eine Infiltration von Zellen des angeborenen Immunsystems in das Pankreasgewebe induzieren und aktivieren. Zu diesen Zellen gehören Makrophagen und Neutrophile. T-Zellen, welche zum adaptiven Immunsystem gehören, wandern nicht in das Pankreas ein, sie werden jedoch systemisch aktiviert. Vor allem Th2-Zellen (T-Helferzellen Typ2) und Tregs (regulatorische T-Zellen) werden im Verlauf einer Pankreatitis induziert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Tregs während einer Pankreatitis nicht nur aktiviert werden, sondern ebenfalls eine höhere suppressive Kapazität besitzen.
Die genaue Rolle dieser antiinflammatorischen Immunantwort und im speziellen der Einfluss von Tregs sollte in dieser Arbeit mit Hilfe von DEREG Mäusen (engl. depletion of regulatory T cells) genauer charakterisiert werden. Durch gezielte Depletion von Tregs mittels DT (Diphtheria Toxin) kann die Auswirkung der Abwesenheit von Tregs im Pankreatitis-Mausmodell untersucht werden. Im akuten Modell kommt es zu einem systemischen Anstieg der T-Effektor-Immunantwort. Die Depletion von Tregs hat zudem eine Auswirkung auf den Schweregrad der Erkrankung. Unter Abwesenheit von Tregs sinkt im akuten Pankreatitis-Modell der pankreatische Schaden. Als eine mögliche Ursache konnte die Dysbalance der Treg/Th17 regulierten intestinalen Immunantwort identifiziert werden, welche zu einer Zerstörung der Darmbarriere führt und eine Translokation kommensaler Mikroorganismen ins nekrotische Pankreasgewebe initiiert.
Im chronischen Pankreatitis-Modell konnte gezeigt werden, dass die T-Zelldifferenzierung einen wichtigen Einfluss auf die Makrophagenpolarisation hat und dadurch den Verlauf der Chronifizierung der Pankreatitis mitbestimmt. Eine Depletion von Tregs in der chronischen Pankreatitis führt zu einer ungebremsten Th2-Antwort. Über die freigesetzten Zytokine, wie z.B. IL4, wird die Makrophagenpolarisation in Richtung der antiinflammatorischen Makrophagen verschoben. Diese Makrophagen induzieren über IL10 und TGFβ die Aktivierung ruhender PSCs (pankreatische Sternzelle) und regulieren somit Regenerationsprozesse. Kommt es zu einer Dysregulation dieser Makrophagenpolarisation, kann dieser Regenerationsprozess unkontrolliert erfolgen. Als Folge dessen kommt es nicht nur zu einer gesteigerten Aktivierung von PSCs, sondern auch zu einer exzessiven Kollagenproduktion, welche zu einer pathologische Fibrose führt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass Tregs einen entscheidenden Einfluss auf die Gewebeumstrukturierung des Pankreas haben. Eine Depletion von Tregs im chronischen Pankreatitis-Modell induziert über die Aktivierung antiinflammatorischer Makrophagen eine Expression von PSCs. Diese unkontrollierte Induktion führt zu einer gesteigerten Kollagenproduktion und Bildung von fibrotischem Pankreasgewebe unter gleichzeitigem Verlust von Azinuszellen. Diese exzessive Gewebeumstrukturierung resultiert in einem Funktionsverlust des exokrinen Gewebes. Mäuse deren Tregs depletiert wurden verloren im chronischen Pankreatitis-Modell bereits nach 14 Tagen signifikant an Gewicht.
Weitere wichtige Faktoren, die im Regenerationsprozess eine Rolle spielen, sind Wachstumsfaktoren. Genexpressionsanalysen und histologische Färbungen verdeutlichen, dass Tregs die Induktion von Wachstumsfaktoren mitbestimmen.
Zusammengefasst bedeutet dies, dass Tregs im akuten Pankreatitis-Modell die T-Effektor-Immunantwort supprimieren und dadurch den Verlauf der Pankreatitis verschlechtern. Im chronischen Pankreatitis-Modell sorgen Tregs dahingegen für eine Balance der Makrophagenpolarisation, und regulieren den Remodeling-Prozess, indem sie z.B. die Bildung fibrotischem Gewebes limitieren.
Unter promiskuitiver Acyltransferase-Aktivität versteht man die Eigenschaft bestimmter Hydrolasen, in wässriger Lösung bevorzugt Acyltransfer statt Hydrolyse zu katalysieren. Bis vor Kurzem waren nur wenige promiskuitive Acyltransferasen literaturbekannt. Dies führte zu der allgemeinen Annahme, dass diese Aktivität ein seltenes Phänomen in Hydrolasen ist. Diese Arbeit zeigt jedoch, dass promiskuitive Acyltransferase-Aktivität in der Familie der bakteriellen hormonsensitiven Lipasen und Carboxylesterasen der Familie VIII weit verbreitet ist. Detaillierte Struktur-Funktions-Analysen ermöglichen die sequenzbasierte Vorhersage und Optimierung der Acyltransferase-Aktivität in beiden Enzymfamilien. Insbesondere die Carboxylesterasen der Familie VIII überschreiten die Grenzen des bisher für möglich Gehaltenen, indem sie gute Enantioselektivität bei der kinetischen Racematspaltung sekundärer Alkohole zeigen und darüber hinaus die irreversible Bildung von Amiden und Carbamaten in Wasser katalysieren können. Die biokatalytische Acylierung von Zuckern in Wasser galt lange Zeit als unerreichtes Ziel der Biokatalyse. In dieser Arbeit wurde jedoch gezeigt, dass natürlich vorkommende und modifizierte Carboxylesterasen der Familie VIII die regioselektive Acetylierung von Glucose, Maltose und Maltotriose in Wasser mit hoher Effizienz katalysieren können.