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Oral administration of drugs is the most common, convenient, safest and economical route of drug administration. There is lack of established tools to study the function of transporters in the intestinal absorption of drugs. Because of its favorable physico-chemical, pharmacokinetic and pharmacodynamic characteristics, trospium could be potentially used as a probe substrate to study the function of drug transporters. Therefore, this study was conducted to examine the suitability of trospium chloride as a probe drug to study the function of multidrug transporters in the human body. To this end, two randomized, controlled, four-period, cross-over pharmacokinetic drug interaction studies of oral and intravenous trospium with co-medication of oral clarithromycin or ranitidine were performed in 24 healthy subjects to mechanistically characterize the role of P-gp, OATP1A2, OCT1, OCT2, MATE1 and MATE2-K in the absorption and disposition of trospium. The contribution of the drug transporters in the absorption and disposition of trospium were examined in isolated systems using in vitro uptake and inhibition assays in transporter transfected human cell lines.
OCT1 (Vmax = 0.8 ± 0.1 nmol/min × mg) is a high capacity transporter of trospium compared to OCT2 (Vmax = 0.04 ± 0.01 nmol/min × mg). But the OCT2 (Km = 0.5 ± 0.1 µM) transporter demonstrated a high affinity in the transport of trospium compared to OCT1 (Km = 17.4 ± 2.1 µM). OCT1 genetic alleles *2, *3, *4 and *7 resulted in significant loss of activity and the alleles *5 and *6 caused complete loss of uptake of trospium. The common OCT2 genetic allele Ser270 caused slight but significant increase in activity of OCT2.
Ranitidine inhibits OCT1 (IC50 = 186 ± 25 µM), MATE1 (IC50 = 134 ± 37 µM) and MATE2-K (IC50 = 35 ± 11 µM)-mediated uptake of trospium in vitro. But it is a weak inhibitor of OCT2 transporter (IC50 = 482 ± 105 µM). Using FDA and EMA in vitro to in vivo extrapolation models, ranitidine was predicted to have a potential inhibition effect on intestinal OCT1 ([I]2/IC50 ~40), renal MATE1 ([I]1/IC50 ~0.02) and MATE2-K ([I]1/IC50 ~0.1) transporters in vivo. Clarithromycin was predicted to cause DDI by inhibiting P-gp-mediated efflux of trospium at the intestine ([I]2/IC50 of ~310) and hepatocytes ([I]3/IC50 ~1). Therefore, co-medication of oral clarithromycin was expected to result in an increase in oral absorption and hepatic clearance of trospium but not changes in distribution volume.
In healthy subjects, oral trospium is slowly (MAT ~10 h) and poorly (F ~10 %) absorbed from the jejunum and cecum/ascending colon, widely distributed into the body (Vss = 5 - 6 l/kg) and slowly eliminated (t1/2 = 9 - 10 h) majorly via renal glomerular filtration and tubular secretion (CLR ~500 ml/min). After co-medication of clarithromycin (inhibitor of P-gp), on the contrary to our IVIVE prediction, we found a non-expected but significant expansion of the shallow and deep distribution spaces for trospium by ~27 %. A single dose administration of trospium with co-medication of ranitidine (inhibitor of OCT1) resulted in no effect on the intestinal absorption of trospium. But the renal clearance of trospium decreased slightly (15 %) but significantly.
Intravenously administered trospium (2 mg TC) might be a suitable probe drug to evaluate the effects of a P-gp inhibitor on distribution of a drug. Oral trospium chloride can be selected for DDI studies with new chemical entities (NCE) with predicted inhibitory potential on OCT1 and P-gp and which are available after oral absorption along the small intestine and in the cecum/ascending colon. Another kind of application of trospium chloride might be pharmacogenomics studies in subjects with functionally relevant polymorphisms of P-gp and OCT1 or in patients with suspected transport failure due to intestinal diseases. The function of the efflux transporters MATE1 and MATE2-K in the PTC of the kidneys can be well assessed with the probe drug trospium by measuring its renal clearance.
The aim of the present dissertation was to investigate the biological and chemical potential of two European mushroom species: Fomitopsis betulina and Calvatia gigantea. For this purpose, different extracts of both fungi were tested for: antimicrobial, antifungal, cytotoxic, in vitro wound healing, and anti-adhesive properties. Bioassay-guided fractionation led to the isolation of bioactive compounds, altogether 20 compounds were isolated and identified. The compounds were obtained from the ethyl acetate extracts, they included triterpenes, sterols and aromatic compounds. The separated substances from both fungi were proved for biological activities, some of them showed antimicrobial and cytotoxic activities.
Infections with Helicobacter pylori are a global challenge that affects both developed and developing countries. This infection is currently treated using multiple antimicrobials that are mostly absorbed after oral administration and subsequently secreted into the gastric lumen. The eradication rates from the different therapeutic regimens, however, are declining nowadays, primarily due to high antibiotic resistance and possibly the mode of drug delivery. H. pylori is commonly found adhering to epithelial cells, and therefore, intragastric drug delivery may be a more direct treatment option. In this work, we developed a new strategy for the local eradication of H. pylori within the stomach.
Initial in vitro experiments revealed that penicillin G shows promising antibiotic activity against resistant strains of H. pylori with MIC values of 0.125 µg/mL. To provide luminal concentrations above the MIC for an extended time, we decided to follow two different formulation strategies: effervescent granules and HPMC-based hydrogel matrix tablets. Among the granule formulations, only one batch was stable and demonstrated excellent performance with respect to drug content, effervescent action, and drug release. It was therefore selected for further in vitro studies. All matrix tablets showed the desired tablet quality requirements and drug release was scalable in vitro by the HPMC concentration.
In order to quantify PGS in various formulations and media, an HPLC method was developed and validated. Due to the stability concerns, the degradation behavior of PGS was studied at different pH. PGS was found to be unstable at acidic pH values, but its stability was higher at more neutral pH values. Sufficient stability was exhibited at pH values above pH 4.5. Due to the instability of PGS in acidic media, alkalizers were added to the matrix tablets to prevent the degradation of the drug within the tablet. Among the alkalizers tested, NaHCO3 showed the most promising results as it significantly enhanced the stability within the matrix and also the concentration of PGS in the dissolution media. The stabilizing effect was caused mainly by the modulation of the microenvironmental pH rather than a pH change in the dissolution media. As a result, these matrix tablets were selected for further in vitro characterization.
In order to guide formulation development, a flow-through model (FTM), which was able to simulate various physiological conditions of the gastric environment, was developed and applied. In contrast to compendial dissolution methods, the FTM allowed studying the effect of gastric secretion, mixing and emptying on the gastric concentration of the drug in vitro. It could be shown that the granules generated a high initial concentration, which decreased over time. On the contrary, the matrix tablets did not provide such a profile due to the absence of pressure events in the model. Further investigations of the matrix tablets in a dissolution stress test device revealed faster drug release if pressure events of physiological relevance are simulated.
In the last part of this thesis, the two formulation concepts were compared in vivo by using the salivary tracer technique. For this purpose, caffeine was used as a model drug. The in vivo investigations suggested that granules administered in a fed state demonstrated longer gastric retention than in a fasted state. In a fed state, effervescent granules provided longer gastric retention of caffeine in comparison to the matrix tablets. Interestingly, the administration of the granules together with 240 mL of tap water provided an even better gastric retention of caffeine than the smaller volume (20 mL). Additional MRI investigations after 4 h of tablets’ intake revealed that the matrix tablets were already disintegrated in vivo.
In conclusion, effervescent granules dosed after food are expected to better maintain intragastric drug concentration over an extended period compared to matrix tablets. Moreover, the carbon dioxide generated after disintegration supports the mixing of the drug with the chyme and thus, provides a uniform distribution of the drug. By this, bacterial sanctuary sites within the stomach can be avoided. The major challenge could be the stability of PGS in acidic media. This problem could be addressed via concomitant administration of PPIs. H2 blockers could also be recommended to address nocturnal acid-breakthrough during the mid-night. In combination with an acid-reducing agent, PGS granule formulations alone or part of the treatment regimens could enable the local eradication of H. pylori directly within the stomach.
Humans consume snail flesh as part of their diet. To assess its nutritional value and toxicity, chemical analyses were conducted to confirm the presence of protein, total and reduced carbohydrates, fat, fatty acid composition and mineral components. Furthermore, an acute toxicity study was carried out to determine the safety of Helix aspersa Müller snail flesh. H. aspersa Müller snail flesh exhibits a high nutritional content, a good ω3/ω6 ratio and higher levels of unsaturated fatty acids. Various minerals have been found in the flesh of H. aspersa Müller. Around 76.91 kcal, or 3.84% of the energy of a daily meal of 2000 kcal, are present in 100 g of this flesh. The evaluation of the antioxidant capacity indicated that the flesh’s extracts contained a large quantity of antioxidant biomolecules. Administration of the aqueous extract of H. aspersa Müller flesh didn’t cause death in laboratory rats, indicating that the lethal dose 50 is greater than 2000 mg·kg−1 body weight. The consumption of the flesh of H. aspersa Müller is highly recommended for human consumption due to its high concentration of nutrients and essential elements, as well as unsaturated fats, and due to its safety.
Analysis and Reduction of Cellular Heterogeneity in Strain Optimization of Bacillus licheniformis
(2021)
Bacillus species invest substantial resources in inherent cellular processes for pre-adaptation to environmental changes, many of which are dispensable in the controlled environment of industrial bioprocesses. The underlying physiological mechanisms are well characterized in B. subtilis, but only little is known about these processes in the closely related B. licheniformis. Moreover, experimental conditions in previous studies differ from industrial settings in most parameters, foremost in batch cultures or plate-based analysis over fed-batch processes. In this thesis, cellular heterogeneity was analyzed in B. licheniformis in optimized, nutrient-rich media in batch and fed-batch cultivations. Systematic inactivation of genes involved in biofilm formation and synthesis of the flagellar apparatus or global regulators thereof resulted in higher protein production and provided new insights into biofilm formation and cellular heterogeneity in this strain.
Die Therapie von Erkrankungen des hinteren Auges erfolgt heute hauptsächlich durch die intravitreale Injektion von Lösungen, Suspensionen oder Implantaten. Um neue intravitreale Arzneiformen zu entwickeln werden in der präklinischen Phase neben In vitro-Untersuchungen zur Wirkstofffreisetzung auch In vivo-Studien an Tieren verwendet. Die Physiologie des Auges der verwendeten Tiere weicht jedoch von denen des humanen Glaskörpers ab, weshalb die Übertragbarkeit der Ergebnisse teilweise kontrovers diskutiert wird. Durch eine Kombination dieser in vivo-Studien mit biorelevanteren In vitro-Freisetzungsmodellen könnte ein besseres Verständnis für das Verhalten von intravitrealen Arzneiformen erhalten werden.
In dieser Arbeit wurde die EyeFlowCell entwickelt, bei der zentral der humane Glaskörper durch ein künstliches Gel simuliert wird. In dieses Glaskörpersubstitut injizierte Arzneiformen können hinsichtlich ihrer Wirkstofffreisetzung unter verschiedenen Aspekten charakterisiert werden…
The EyeFlowCell: Development of a 3D-Printed Dissolution Test Setup for Intravitreal Dosage Forms
(2021)
An in vitro dissolution model, the so-called EyeFlowCell (EFC), was developed to test intravitreal dosage forms, simulating parameters such as the gel-like consistency of the vitreous body. The developed model consists of a stereolithography 3D-printed flow-through cell with a polyacrylamide (PAA) gel as its core. This gel needed to be coated with an agarose sheath because of its low viscosity. Drug release from hydroxypropyl methylcellulose-based implants containing either triamcinolone acetonide or fluorescein sodium was studied in the EFC using a schematic eye movement by the EyeMovementSystem (EyeMoS). For comparison, studies were performed in USP apparatus 4 and USP apparatus 7. Significantly slower drug release was observed in the PAA gel for both model drugs compared with the compendial methods. Drug release from fluorescein sodium-containing model implants was completed after 40 min in USP apparatus 4, whereas drug release in the gel-based EFC lasted 72 h. Drug release from triamcinolone acetonide-containing model implants was completed after 35 min in USP apparatus 4 and after 150 min in USP apparatus 7, whereas this was delayed until 96 h in the EFC. These results suggest that compendial release methods may overestimate the drug release rate in the human vitreous body. Using a gel-based in vitro release system such as the EFC may better predict drug release.
Synthesis and evaluation of pseudosaccharin amine derivatives as potential elastase inhibitions
(2006)
Elastase is a serine protease which by definition is able to solubilize elastin by hydrolytic cleavage.Human Leukocyte Elastase, HLE (EC 3.4.21.37), is involved in deseases such as adult respiatory distress syndrome, pulmonary emphysema, smoking related chronic bronchitits, ischemic-reperfusion injury and rheumatoid arthritis. Hence, the elastase inhibitors have clinical utility in these diseases. Heterocyclic compounds are one of the most important classes of the elastase inhibitiors. In the present work different pseudosaccharin amine derivatives were synthesized and tested against the elastase. The synthesis of pseudosaccharin amine dervatives was carried out from the amines and(1,1-dioxobenzo[d]isothiazol-3-ylsulfanyl)acetonitrile in different solvents. Futhermore, the pseudosaccharin amines were obtained by refluxing the thiosaccarinates in absolute acetic acid. The reaction of 3-ethoxybenzo[d]isothiazole 1,1-dioxide with different amines in dioxane under reflux resulted into the desired pseudosaccharin amine derivatives in higher yields. Pseudosaccharin chloride was also used in the synthesis of these derivatives.A detail study of the synthesis of pseudosaccharin amine dervatives from the above differnt routes is described. Peptides were also synthesized by using the mixed anhydride method. The ester, acid, amide and peptide derivatives were tested against the Porcine Pancreatic Elastase (PPE) and Human Leukocyte Elastase (HLE). The esters were found to be the reversible inhibitors of HLE. The process of the PPE inhibion by cyanomethyl(2S)-2-(1,1-dioxobenzo[d]isothiazol-3-ylamino)-3-methylbutanoate was studied. Michaelis-Menten curve and Lineweaver-Burk double reciprocal plot were constructed in order to study the kinetic of this reaction. The compounds showing high inhibition of HLE were further stuied for determination of their inhibitory constant(Ki). The esters were found to be the higly active compounds against HLE. The cyanomethyl(2S)-2-(1,1-dioxobenzo[d]isothiazol-3-ylamino)-3-methylbutanoate and cyanomethyl(2S,3S)-2-(1,1-dioxobenzo[d]isothiazol-3-ylamino)-3-methylpentanoate showed the competitive reversible inhibition of HLE.The cyanomethyl(2S,3S)-2-(1,1-dioxobenzo[d]isothiazol-3-ylamino)-3-methylpentanoate is highly potent inhibitor of HLE. The possible mechanism of inhibition of elastase by these compounds is discussed. Molecular modelling of some of the ester derivatives is also discussed.
The use of digital tools can positively impact higher education for both scholars and faculty. In recent years, it has become apparent that podcasts are a suitable medium for use in teaching. They are provided almost exclusively by lecturers for students, with students passively listening to them rather than actively participating in their production. However, this could also be valuable for students. Therefore, this pilot study investigated the extent to which the creation of a podcast would be accepted by students as a method for capturing pharmacy students’ understanding of the learning content. The evaluation was performed as part of the “Clinical Chemistry” practical course, which was attended by third-year pharmacy students in groups of three. After passing the station dealing with practical clinical chemistry relevant diagnostic systems, the groups were asked to produce an educational podcast covering the essential content on the topics of urine test strips or pulse oximetry, respectively. Student attitudes toward the adoption of podcasts as a tool for performance assessment were determined with an anonymous and voluntary survey. The respondents reported that they had fun creating the podcast, which enabled them to look at the instructional content from a different perspective. Competencies such as social and communication skills and media literacy as well as self-organized and self-directed learning were also promoted. However, the students assumed that the tool is not ideally suited for dealing with extensive topics. Nonetheless, the students clearly support the continued creation of podcasts as a performance assessment tool. In addition, they suggest integrating podcasts into other courses within the pharmacy curriculum. This may also be related to the infrequent use of novel technologies, such as podcasts, in their education thus far.
Pharmaceutical residues are found in increasing concentrations in the environment and in potable water where they have verifiable effects on aquatic life. Conventional methods for water treatment are not able to sufficiently abate these generally stable compounds. It was found that physical plasma generated directly in water can degrade several of these recalcitrant organic pollutants. Studies on the basic plasma chemical processes for the model system of phenol showed that the degradation is primarily caused by hydroxyl radicals. This was confirmed by reaction chemistry and spin trap enhanced electron paramagnetic resonance spectroscopy (EPR). The degradation of diclofenac and its by-products were investigated in detail to perform a first risk-assessment of the new technology. Findings are not limited to the application of plasma but applicable to other advanced oxidation processes (AOP) that are based on the generation of hydroxyl radicals as well. Additionally, pulsed corona plasma and pulsed electric fields were assessed for their capacity to kill Legionella pneumophila in water. Whereas it was possible to kill L. Pneumophila with both methods, plasma treatment resulted in an enhanced bacterial killing. Therefore, advanced oxidation processes (AOP) and plasma treatment in particular are some of the few feasible approaches to decompose recalcitrant compounds in water.
There is a growing interest in the application of non-thermal atmospheric pressure plasma for the treatment of wounds. Due to the generation of various ROS and RNS, UV radiation and electric fields plasma is a very promising tool which can stimulate skin and immune cells. However, not much is known about the mammalian cell responses after plasma treatments on a molecular level. The present work focusses on the impact of plasma on cell signaling in the human keratinocyte cell line HaCaT by using the methods DNA microarray, qPCR, ELISA and flow cytometry. Here, cell signaling mediators such as cytokines and growth factors which could promote wound healing by enhancing angiogenesis, reepithelization, migration and proliferation were of major interest. Additionally, the crosstalk between keratinocytes and monocytes was studied using a co-culture. For the first time extensive investigations on the impact of plasma on cell signaling in human keratinocytes were conducted. The most prominent cytokines and growth factors which were regulated by plasma at gene and protein level were VEGF-A, GM-CSF, HB-EGF, IL-8, and IL-6. The latter was not activated due to the JAK/STAT-pathway but probably by a combined activation of MAPK- and PI3K/Akt-pathways. By the use of conditioned medium it was found out that ROS and RNS generated directly after plasma treatment induced larger effects on cell signaling in keratinocytes than the subsequently secreted growth factors and cytokines. Furthermore, monocytes and keratinocytes hardly altered their secretion profiles in co-culture. From these results it is deduced that the plasma generated reactive species are the main actors during cell signaling. In order to differentiate the impact of ROS and RNS on the cellular response the ambience of the plasma effluent was controlled, varying the ambient gas composition from pure nitrogen to pure oxygen. Thereby a first step towards the attribution of the cellular response to specific plasma generated reactive species was achieved. While IL-6 expression correlated with ROS generated by the plasma source, the cell signaling mediators VEGF-A, GM-CSF and HB-EGF were significantly changed by RONS. Above all hydrogen peroxide was found to play a dominant role for observed cell responses. In summary, plasma activates wound healing related cell signaling mediators as cytokines and growth factors in keratinocytes. It was also shown that the generated reactive species mainly induced cell signaling. For the first time cell responses can be correlated to ROS and RONS in plasma treated cells. These results underline the potential of non-thermal atmospheric pressure plasma sources for their applications in wound treatment.
For the characterization of Kv7.2/3 channel activators, several analytical methods are available that vary in effort and cost. In addition to the technically elaborate patch-clamp method, which serves as a reference method, there exist several medium to high-throughput screening methods including a rubidium efflux flame-atomic absorption spectrometry (F-AAS) assay and a commercial thallium uptake fluorescence-based assay. In this study, the general suitability of a graphite furnace atomic absorption spectrometry (GF-AAS)-based rubidium efflux assay as a screening method for Kv7.2/3 channel activators was demonstrated. With flupirtine serving as a reference compound, 16 newly synthesizedcompounds and the known Kv7.2/3 activator retigabine were first classified as either active or inactive by using the GF-AAS-based rubidium (Rb) efflux assay. Then, the results were compared with a thallium (Tl) uptake fluorescence-based fluorometric imaging plate reader (FLIPR) potassium assay. Overall, 16 of 17 compounds were classified by the GF-AAS-based assay in agreement with their channel-activating properties determined by the more expensive Tl uptake, fluorescence-based assay. Thus, the performance of the GF-AAS-based Rb assay for primary drug screening of Kv7.2/3-activating compounds was clearly demonstrated, as documented by the calculated Z’-factor of the GF-AAS-based method. Moreover, method development included optimization of the coating of the microtiter plates and the washing procedure, which extended the range of this assay to poorly adherent cells such as the HEK293 cells used in this study.
Lungenkrebs ist mit rund 40.000 Todesfällen pro Jahr die häufigste Krebstodesursache in Deutschland. Daher ist es nötig neue Behandlungsmethoden zu entwickeln, die gezielt am Tumor angreifen und möglichst geringe Nebenwirkungsraten aufweisen. Dazu eignet sich möglicherweise das inhalative magnetische Drug Targeting, bei dem superparamagnetische Aerosoltröpfchen als Drug Carrier dienen, welche nach der Inhalation mittels eines extern angelegten Gradientenfeldes gezielt am Wirkungsort angereichert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob es möglich ist superparamagnetische Aerosole mit Hilfe von Magnetfeldgradienten von ihrer Flugbahn abzulenken, um sie an einer definierten Abscheidefläche vor dem Magneten abzuscheiden. Dabei wurden einige Parameter, wie die Kerngröße der magnetischen Nanopartikel, der Tröpfchendurchmesser, die Gradientenfeldstärke, die Ferrofluidkonzentration und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft variiert, um deren Einfluss auf die Abscheidung zu beobachten. Die Grundlage dieses magnetischen Aerosols bildet ein Ferrofluid, welches mittels Ammoniak aus Eisen(II)- und Eisen(III)-chlorid-Lösung gefällte Magnetit-Nanopartikel enthält, die durch eine Citrathülle vor Agglomeration und Sedimentation geschützt werden. Nach dem Vernebeln mit zwei Geräten, die auf unterschiedlichen Verneblungsprinzipien beruhen, sind die magnetischen Nanopartikel im Aerosoltröpfchen eingeschlossen. Die mittels Laserdiffraktometrie bestimmten mittleren Massendurchmesser betragen dabei zwischen 2,5 µm mit dem Pari Boy und 5 µm mit dem eFlow. Diese sollten durch Zusatz von Substanzen, die die Oberflächenspannung senken (Cremophor RH 40 und Ethanol), die Viskosität erhöhen (Glycerol, Cremophor RH 40 und Ethanol) oder den Dampfdruck erhöhen (Ethanol) gesenkt werden. Deutliche Effekte zeigen sich insbesondere bei Zugabe von 20 % Cremophor RH 40 und 40 % Ethanol zum Ferrofluid. Dadurch konnten die Durchmesser auf jeweils 2 µm beim Pari Boy und circa 3,4 und 3,9 µm beim eFlow reduziert werden. Die prozentuale Abscheidung des Ferrofluids wurde in verschiedenen Magnetfeldgeometrien unterschiedlicher Gradientenfeldstärke untersucht. Die Variation der Tröpfchengröße des superparamagnetischen Aerosols führt zu unterschiedlichen Ausmaßen der Ferrofluidabscheidung. Tatsächlich ist die Abscheidung des Ferrofluides nach dem Vernebeln mit dem eFlow, dessen Tröpfchendurchmesser etwa doppelt so groß wie der des Pari Boy ist, wesentlich höher. Während mit dem Pari Boy vom 1 molaren Ferrofluid im Gradientenfeld zweier gleichpoliger Stabmagnete (r x l = 15 x 25 mm) mit einer Remanenz von 1450 mT nur circa 30 % des Aerosols impaktiert werden kann, sind es mit dem eFlow unter gleichen Versuchsbedingungen etwa 80 %. Das liegt einerseits an der größeren Magnetitmasse im Tröpfchen und andererseits an der geringeren Aerosolgeschwindigkeit. Je stärker das verwendete Gradientenfeld war, desto mehr Ferrofluid konnte impaktiert werden. Desweiteren wurde die Abscheidung verschieden konzentrierter Ferrofluide (0,5; 1, 2 und 6 M) untersucht. Diese war umso größer, je konzentrierter das Ferrofluid war. Unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten konnten durch Verwendung einer Vakuumpumpe untersucht werden. Es wurden zwei sehr kleine Strömungsgeschwindigkeiten (0,03 und 0,1 m/s) eingestellt, um möglichst nahe an die realen Strömungsgeschwindigkeiten in den terminalen Bronchien zu kommen. Dabei zeigte sich, dass die prozentuale Ferrofluidabscheidung bei langsamen Strömungsgeschwindigkeiten besonders hoch ist. Allerdings weisen die in dieser Arbeit verwendeten Magnete in größerer Entfernung nur noch sehr schwache Gradienten auf und sind daher für eine Anwendung an der menschlichen Lunge nicht geeignet. Die Einführung eines Modellimplantats in die Versuchsröhre sollte die Abscheidung des Ferrofluides erhöhen. Die erzielte Erhöhung der Ferrofluidabscheidung ist allerdings unbefriedigend. Die Simulation mit Mathematica® hat ergeben, dass die experimentelle Ferrofluidabscheidung geringer ist als die theoretische Abscheidung. Beim Pari Boy und 0,1 m/s unterscheiden sie sich um maximal 10 %. Beim eFlow beträgt die Differenz bis zu 8 %. Die Abweichungen zur Simulation werden durch Sedimentation des Ferrofluides verursacht. Diese ist stärker ausgeprägt als in der Berechnung, da sich die Luft beim Vernebeln durch Verdunsten von Wasser und Ausdehnung der Luft aufgrund des Joule-Thomson-Effektes abkühlt. Die kalte Luft bewegt sich nach unten und reißt das Ferrofluid mit herab. Es konnte gezeigt werden, dass sich superparamagnetische Aerosole mit Hilfe von magnetischen Gradientenfeldern gezielt in definierten Bereichen abscheiden lassen. Das Ausmaß der Abscheidung lässt sich durch Erhöhung des Gradienten und des magnetischen Momentes steigern. Mit größeren Permanentmagneten oder starken Elektromagneten ist auch ein pulmonales Drug Targeting an der humanen Lunge denkbar.
In drei verschiedenen Teilanalysen wurden Erkenntnisse über die Wirksamkeit von Interventionsmaßnahmen gegen das Vorkommen und die Verbreitung von ESBL/AmpC-bildenden E. coli in der Hühnermast gewonnen. Literaturdaten und praktische Laborergebnisse, die teilweise selbst erhoben wurden, flossen in ein mathematisches Modell ein, um die Auswirkungen von Haltungsparametern und konkreten Interventionsmaßnahmen prädiktiv berechnen zu können. Die zusammengefassten Ergebnisse zeigen einen Einfluss der Maßnahmen „Competitive Exclusion“, „Reinigung und Desinfektion“ sowie den Haltungsparametern „Rasse“, „geringe Besatzdichte“ und „erhöhte Einstreumenge“ auf das Vorkommen von bestimmten ESBL/AmpC-bildenden E. coli. Zusätzlich zu den Einzelmaßnahmen wurden im Modell mehrere Kombinationen getestet, wobei zwei unterschiedlichen Szenarien verwendet wurden, entweder der Stall oder die Eintagsküken waren zu Beginn der Mastperiode positiv. Diese Kombinationen ergaben eine deutliche Reduktion der resistenten E. coli in den infizierten Tieren, in deren Ausscheidungen und in der Einstreu. In diesem Zusammenhang wären Daten aus tierexperimentellen Studien zu kombinierten Maßnahmen interessant. Weitere wissenschaftliche Ergebnisse könnten zu einem optimierten Modell beitragen, damit es die realen Bedingungen besser widerspiegelt. Zu einer weiteren Präzisierung könnte zum Beispiel die dezidierte mathematische Berechnung des Wachstums von resistenten E. coli in den unterschiedlichen Teilen des Gastrointestinaltrakts des Huhns und in der Einstreu führen, unter Berücksichtigung von pH-Wert und Temperatur. Ungeachtet dessen bietet die vorliegende Version des Modells eine nützliche Unterstützung bei der Vorhersage der Auswirkung unterschiedlicher Maßnahmen auf das Auftreten und die Verbreitung von ESBL/AmpC-bildenden E. coli in Masthuhnbetrieben. Diese Ergebnisse können zu einer umfassenden Quantitativen mikrobiologischen Risikobewertung (QMRA) beitragen, mittels derer die Effizienz von Risikominderungsmaßnahmen in der gesamten Broilerproduktionskette, von der Brüterei und Aufzucht über die Mast, Schlachtung, Verarbeitung und den Einzelhandel bis hin zum Verzehr - from farm to fork, bestimmt werden kann.
Livestock animals, especially poultry, are a known reservoir for extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli (E. coli). They may enter the pen either via positive day-old chicks or via the environment. We developed a mathematical model to illustrate the entry and dissemination of resistant bacteria in a broiler pen during one fattening period in order to investigate the effectiveness of intervention measures on this infection process. Different management measures, such as varying amounts of litter, a slow-growing breed or lower stocking densities, were tested for their effects on broiler colonization. We also calculated the impact of products that may influence the microbiota in the chicks’ digestive tract, such as pre- or probiotics, feed supplements or competitive exclusion products. Our model outcomes show that a contaminated pen or positive chicks at the beginning of the fattening period can infect the entire flock. Increasing the amount of litter and decreasing the stocking density were shown to be effective in our model. Differences in the route of entry were found: if the chicks are already positive, the litter quantity must be increased to at least six times the standard of 1000 g/m2, whereas, if the pen is contaminated on the first day, three times the litter quantity is sufficient. A reduced stocking density of 20 kg/m2 had a significant effect on the incidence of infection only in a previously contaminated pen. Combinations of two or three measures were effective in both scenarios; similarly, feed additives may be beneficial in reducing the growth rate of ESBL-producing E. coli. This model is a valuable tool for evaluating interventions to reduce the transmission and spread of resistant bacteria in broiler houses. However, data are still needed to optimize the model, such as growth rates or survival data of ESBL-producing E. coli in different environments.
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.
In recent years, the colon has become a hot topic in biopharmaceutical research as several in vitro models of the human colon have been presented. A major focus is on the characterization of the microbiota and its capabilities. The aim of the present study was to further develop the MimiCol, preserving its properties and accelerating data acquisition. Emphasis was placed on the simplicity of its design and easy scalability. To prove the viability of the concept, degradation of sulfasalazine was investigated, and the bacterial composition during the experiment was assessed by 16S rRNA sequencing. The transfer of the experimental conditions to the new model was successful. Commercially available components were implemented in the setup. The model MimiCol3 represented the colon ascendens satisfactorily in its properties regarding volume, pH value, and redox potential. 16S rRNA sequencing led to further insights into the bacterial composition in the vessels. Degradation of sulfasalazine was in good agreement with in vivo data. The new model of the colon ascendens MimiCol3 enabled us to collect more reliable data, as three experiments were conducted simultaneously under the same conditions.
In der vorliegenden Arbeit sollen bekannte und neuartige Inhibitoren der Glutathionperoxidasen sowohl in ihrer Eigenschaft als Inhibitor, als auch deren Effekte in Tumorzellen näher charakterisiert werden. Dabei standen zu Beginn die Mercaptobernsteinsäure sowie Tiopronin besonders im Fokus. Es konnte gezeigt werden, dass beide Substanzen effektiv bovine Glutathionperoxidase inhibieren, wobei die Effektivität sowohl in IC50-Werten als auch in Inhibitionskonstanten (Ki) ausgedrückt werden konnten. Durch Adaption des GPx-Assays auf humane GPx-Aktivität konnte ebenfalls gezeigt werden, dass Mercaptobernsteinsäure in der Lage ist, humane GPx-Aktivität zu reduzieren, allerdings nicht Tiopronin. Kombinationen von Mercaptobernsteinsäure mit Wasserstoffperoxid auf Tumorzellen zeigten erhöhte Akkumulationen reaktiver Sauerstoffspezies in Relation zu Zellen, die nur mit Wasserstoffperoxid inkubiert wurden. Die Glutathionperoxidase könnte in zellulären Systemen durch Mercaptobernsteinsäure gehemmt sein. Entsprechende Kombinationen mit Tiopronin zeigten den gegenteiligen Effekt, Tiopronin scheint als Antioxidans zu fungieren. Auch Kombinationen von Tiopronin mit Cisplatin, Doxorubicin und Methotrexat zeigten teilweise Wirkungsverluste der Zytostatika. Weiterführend wurde im Rahmen der Arbeit eine neue Klasse von Inhibitoren der Glutathionperoxidase identifiziert, die Pentathiepine. Durch unterschiedliche heteroaromatische Grundkörper sowie verschiedenen Substituenten konnten interessante Struktur-Wirkungsbeziehungen detektiert werden. Bei der Charakterisierung der inhibitorischen Aktivität gegenüber der Glutathionperoxidase stellte sich heraus, dass es sich offenbar um irreversible- sowie kompetitive Inhibitoren handelt. Die inhibitorischen Eigenschaften sind dabei in Bezug auf inhibitorische Potenz sowie Selektivität aller bisher bekannten Inhibitoren überlegen. Pentathiepine zeigen aber auch auf zellulärer Ebene interessante Eigenschaften, da sie in einer Vielzahl verschiedener Tumorzellen viabilitäts- bzw. proliferationsinhibierende Eigenschaften besitzen, mit IC50-Konzentrationen im unteren mikromolar-Bereich. Korrelationsanalysen zeigten, dass offenbar die Proliferationsinhibition der Pentathiepine mit der inhibitorischen Aktivität gegenüber der Glutathionperoxidase einhergeht. Weiterführend konnte gezeigt werden, dass Pentathiepine massiv reaktive Sauerstoffspezies in den Zellen induzieren und Apoptose auslösen. Die Apoptose-Einleitung wurde durch Annexin-V/Propidiumiodid-Markierung, Detektion von PARP-Spaltprodukten sowie durch die Bestimmung der Mitochondrien-Funktionalität durch Visualisierung des mitochondrialen Membranpotentials bestätigt. Zusammenfassend scheint eine Apoptoseauslösung über den intrinsischen Signalweg vorzuliegen. Durch die Zelllinie HAP-1 sowie deren Glutathionperoxidase-1 ausgeknockten Variante konnten Zytostatika identifiziert werden, auf die knockout-Zellen besonders sensitiv reagieren. Zu diesen gehören Cisplatin-Analoga, Lomustin und Temozolomid. In Kombinationsuntersuchungen mit diesen Zytostatika konnte gezeigt werden, dass für die Kombination von Cisplatin mit Pentathiepinen kein positiver Effekt resultiert. Die Zytotoxizität von Cisplatin wurde dabei in verschiedenen Tumorzellen durch die gleichzeitige Inkubation mit Pentathiepinen abgeschwächt. Kombinationen von Lomustin bzw. Temozolomid mit Pentathiepinen und Mercaptobernsteinsäure führten zu signifikanten Wirkverstärkungen in den untersuchten Zelllinien. Zusammenfassend lässt sich verfassen, dass die neuen Glutathionperoxidase-Inhibitoren ein nützliches Werkzeug zur Aufklärung biologischer Prozesse in Tumorzellen in Bezug auf den Umgang mit oxidativem Stress darstellen können. Gezeigt wurde, dass die kombinatorische Gabe von Inhibitoren der Glutathionperoxidase mit verschiedenen Tumortherapeutika durch eine verstärkte Toxizität aussichtsreich erscheint und in Hinblick auf die häufig sehr schlechten Prognosen verschiedener Tumorerkrankungen, die Tumortherapie durch Zusatz von Pentathiepinen verbessert werden könnte.
The role of glutathione peroxidases (GPx) in cancer and their influence on tumor prognosisand the development of anticancer drug resistance has been extensively and controversially discussed.The aim of this study was to evaluate the influence of GPx1 expression on anticancer drug cytotoxicity.For this purpose, a GPx1 knockout of the near-haploid human cancer cell line HAP-1 was generatedand compared to the native cell line with regards to morphology, growth and metabolic rates,and oxidative stress defenses. Furthermore, the IC50values of two peroxides and 16 widely usedanticancer drugs were determined in both cell lines. Here we report that the knockout of GPx1 in HAP-1cells has no significant effect on cell size, viability, growth and metabolic rates. Significant increasesin the cytotoxic potency of hydrogen peroxide andtert-butylhydroperoxide, the anticancer drugscisplatin and carboplatin as well as the alkylating agents lomustine and temozolomide were found.While a concentration dependent increases in intracellular reactive oxygen species (ROS) levelswere observed for both HAP-1 cell lines treated with either cisplatin, lomustine or temozolamide,no significant enhancement in ROS levels was observed in the GPx1 knockout compared to the nativecell line except at the highest concentration of temozolamide. On the other hand, a ca. 50% decreasein glutathione levels was noted in the GPx1 knockout relative to the native line, suggesting thatfactors other than ROS levels alone play a role in the increased cytotoxic activity of these drugs in theGPx1 knockout cells.
The polysaccharide β-mannan, which is common in terrestrial plants but unknown in microalgae, was recently detected during diatom blooms. We identified a β-mannan polysaccharide utilization locus (PUL) in the genome of the marine flavobacterium Muricauda sp. MAR_2010_75. Proteomics showed β-mannan induced translation of 22 proteins encoded within the PUL. Biochemical and structural analyses deduced the enzymatic cascade for β-mannan utilization. A conserved GH26 β-mannanase with endo-activity depolymerized the β-mannan. Consistent with the biochemistry, X-ray crystallography showed the typical TIM-barrel fold of related enzymes found in terrestrial β-mannan degraders. Structural and biochemical analyses of a second GH26 allowed the prediction of an exo-activity on shorter manno-gluco oligosaccharides. Further analysis demonstrated exo-α-1,6-galactosidase- and endo-β-1,4-glucanase activity of the PUL-encoded GH27 and GH5_26, respectively, indicating the target substrate is a galactoglucomannan. Epitope deletion assays with mannanases as analytic tools indicate the presence of β-mannan in the diatoms Coscinodiscus wailesii and Chaetoceros affinis. Mannanases from the PUL were active on diatom β-mannan and polysaccharide extracts sampled during a microalgal bloom at the North Sea. Together these results demonstrate that marine microorganisms use a conserved enzymatic cascade to degrade β-mannans of marine and terrestrial origin and that this metabolic pathway plays a role in marine carbon cycling.
Flupirtine and retigabine were essential drugs to combat pain and epilepsy. However, the Kv7 potassium channel openers are fraught with hepatotoxicity and tissue discoloration, respectively, limiting their therapeutic value. Both adverse events are likely due to reactive metabolites arising from oxidative metabolism. Designing safer analogues lacking the structural elements leading to described side effects is an active area of current research. One of the main metabolites of flupirtine is the biologically inactive 4-fluorohippuric acid. Hitherto unexplained, the proposed metabolic pathway leading to the formation of 4-fluorohippuric acid from flupirtine is verified here. Through the use of eighteen flupirtine analogues, mechanistic details of this pathway could be elucidated. A possible connection with the in vitro hepatotoxicity of the flupirtine analogues and the levels of 4-fluorobenzoic acid formed in enzyme incubations was examined by correlation analysis. These findings provide important information for the design of new flupirtine analogues as potential drug candidates.
Die Arzneistoffe Flupirtin und Retigabin wurden über viele Jahre hinweg erfolgreich als Analgetikum bzw. Antiepileptikum eingesetzt. Vor allem aufgrund ihres einzigartigen Wirkmechanismus, welcher in der Öffnung spannungsabhängiger Kv7-Kaliumkanäle liegt, konnte eine weitgehend nebenwirkungsfreie Therapie ermöglicht werden. Innerhalb der letzten drei Jahre wurden allerdings sowohl Flupirtin als auch Retigabin aufgrund von seltenen, aber schwerwiegenden unerwünschten Arzneimittelwirkungen (UAWs) vom Markt genommen. Man geht davon aus, dass die Lebertoxizität von Flupirtin ebenso über eine oxidative Verstoffwechslung zu instabilen Metaboliten vermittelt wird, wie die reversiblen Blauverfärbungen von bestimmten Geweben unter Retigabin-Therapie. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit wurden verschiedene Modifikationen am Triamino-Aromaten-Motiv der Arzneistoffe vorgenommen und deren Einfluss auf verschiedene Eigenschaften untersucht. So wurde die Oxidierbarkeit von 55 Verbindungen cyclovoltammetrisch bestimmt und der Aktivität und Toxizität gegenübergestellt. Die beste Substanz 3-(3,5-Difluorphenyl)-N-(6-[isobutylthio)-2-(pyrrolidin-1-yl)pyridin-3-yl]propanamid konnte dabei eine 918-fach höhere Aktivität als Flupirtin, bei gleichzeitig gesteigerter oxidativer Stabilität aufweisen. Zusätzlich wurden durch die schrittweise Derivatisierung von Flupirtin Struktur-Aktivitäts-Beziehungen für Kv7.2/3-Heterotetramere erhalten.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Arzneiformen mit neuartigen, auf der Mechanik des GIT basierenden Freisetzungsmechanismen. Für die Herstellung dieser Arzneiformen sollten additive Fertigungsprozesse entwickelt und etabliert werden. Für die Herstellung von Arzneiformen wurden 3D-Drucker modifiziert, sodass es möglich war, pharmazeutische Polymere als Ausgangsstoff nutzen zu können. Die Polymere wurden mittels eines eigens zu diesem Zweck entworfenen und gebauten Extruders in Filamente überführt. Die Mechanik der verwendeten 3D-Drucker wurde an die Materialeigenschaften der Polymere angepasst. Insbesondere die geringe Flexibilität und erhöhte Sprödigkeit machten Modifikationen notwendig. Mit Eudragit® RS konnte ein Prozess etabliert werden, der die Herstellung von drucksensitiven Arzneiformen ermöglicht. Eine speziell für den Druck dieser Objekte entwickelte Software wurde angewendet, um den Steuercode für den 3D-Drucker zu erzeugen und die Freisetzungsparameter der Arzneiform einstellen zu können. Vorversuche mit technischem PLA Filament dienten der Entwicklung der Herstel- lungsmethode. Aus Eudragit® RS wurden anschließend Arzneiformen hergestellt und auf ihr Bruchverhalten untersucht. Drei Chargen wurden in der Stresstest- apparatur für orale Arzneiformen einer Freisetzungprüfung unterzogen. Es konnte gezeigt werden, dass der entwickelte Prozess Arzneiformen mit verschiedenen Bruchdrücken produzieren kann. Alle Chargen wiesen allerdings geringere Belastbarkeiten auf, als für eine Anwendung am Menschen notwendig wäre. Freisetzungssysteme dieser Art könnten auch verwendet werden, um wirkstoffhaltige Filme gezielt auf die Dünndarmschleimhaut aufzubringen. Die Geometrie von Objekten, die mittels additiver Verfahren gefertigt werden, ist in weiten Bereichen variabel. Der Einfluss der äußeren Form auf die Freisetzungsrate ist bereits Gegenstand der Forschung. Wie sich von bekannten Arzneiformen abweichende Geometrien auf die Schluckbarkeit auswirken, war ein weiterer Bestandteil der Untersuchungen
dieser Arbeit. Zur Beurteilung der Schluckbarkeit wurde eine Humanstudie durcheführt, in der gesunde Probanden Schluckvorgänge von verschiedenen Objekten bewerteten. Die untersuchten Geometrien orientierten sich zum Teil an bekannten Arzneiformen. Zusätzlich wurden neuartige Geometrien untersucht, die aufgrund ihrer Eigenschaften interessant für die Entwicklung von Arzneiformen erschienen und durch additive Fertigungsverfahren zugänglich sind. Die Herstellung der Arzneiformen aus Isomalt erfolgte mittels eines modifizierten 3D-Druckers. Dieser als Lebensmittelzusatzstoff zugelassene Stoff eignet sich zum Einsatz in Fused Deposition Modelling Prozessen aufgrund der hohen Viskosität bei Temperaturen im Schmelzbereich. Das 3D-Drucksystem zur Verarbeitung spröder Filamente wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und bot die Möglichkeit, vier identische Objekte zur gleichen Zeit zu produzieren. Auf diese Weise konnte der Herstellungsprozess der für die Studie benötigten Testkörper verkürzt werden. Neben einem mechanisch stark überarbeiteten Düsensystem kam an diesem Drucker auch eine modifizierte elektronische Steuereinheit zum Einsatz, die den Einsatz der höheren Düsenanzahl zuließ und Funktionen für die komfortable Einrichtung und Reinigung des Druckers bereitstellte.
In der Humanstudie wurde gezeigt, dass die Geometrie einen starken Einfluss auf die Schluckbarkeit der Testkörper und das Empfinden während des Schluckvorgangs hat. Als negativ haben sich Geometrien erwiesen, deren Kanten in spitzen Winkeln zulaufen und keine längliche Form aufweisen, die eine parallele Orientierung im Rachenbereich zulässt. Vorteilhaft hingegen sind Formen, die sich in Schluckrichtung ausrichten können und in einer Schnittebene einen deutlich kleineren Querschnitt aufweisen, als in den rechtwinklig dazu angeordneten Schnittebenen. Neben der Einwirkung von Druck durch den GIT wurde auch die Bewegung einer oralen Arzneiform in Relation zur Oberfläche des Lumens des GIT für das drug targeting genutzt. Die entwickelte Arzneiform sollte die gezielte Arzneistoffapplikation auf der Mukosa des Ösophagus ermöglichen. Erkrankungen in diesem Bereich des GIT können bislang lokal kaum behandelt werden, da die Kontaktzeit eines oral verabreichten Arzneistoffes sehr kurz ist. Die aus diesem Grund notwendige systemische Behandlung ist mit einer hohen Arzneistoffbelastung des Organismus und damit einhergehenden unerwünschten Wirkungen verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein schluckbares mechanisches System entwickelt, welches die gesteuerte Applikation eines Films über die gesamte Länge des Ösophagus auf dessen Schleimhaut ermöglicht. Die mukoadhäsiven Eigenschaften des Films können zu einer erhöhten Kontaktzeit führen, wodurch lokale Erkrankungen des Ösophagus einer topischen Therapie zugänglich gemacht werden könnten. Die entwickelte Arzneiform besteht aus einem Film, der mit Wirkstoff beladen werden kann und einer Hülle, die gleichzeitig das orale Applikationssystem dar- stellt. Mittels eines speziellen Applikators wird die Arzneiform geschluckt. Der Film ist in seiner Hülle so gelagert, dass er durch den Transport durch Mund- und Rachenraum sowie den Ösophagus aus dem Applikationssystem gezogen wird. Bei Kontakt mit dem kollabierenden Ösophagus verweilt der Film aufgrund seiner mu- koadhäsiven Eigenschaften auf der Schleimhaut, während das Applikationssystem den Magen erreicht und rasch disintegriert. Der Film quillt auf der Schleimhaut und kann den Arzneistoff über längere Zeit freisetzen. Es konnte gezeigt werden, dass neben den etablierten Freisetzungsmechanismen zur Steuerung oraler arznei- stoffbeladener Systeme auch die Mechanik des GIT für das drug targeting genutzt werden kann. In Verbindung mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich orale Arzneiformen entwickeln, deren Freisetzungsparameter ausschließlich mittels digitaler Informationen variiert werden können.
Development of Test Programs for the Biorelevant Characterization of Esophageal-Applied Dosage Forms
(2023)
In the local treatment of the esophageal mucosa, the retention time of the different dosage forms, such as tablets, films or liquids, is of high relevance for the effective treatment of diseases. Unfortunately, there are only few in vitro models describing the esophageal route of administration. To predict the behaviour of an esophageal-applied dosage form, it is necessary to simulate the site of application in a biorelevant way. The aim of this work was to develop two test setups for an esophageal peristalsis model which was described in a previous study. Different parameters such as flow rate, peristalsis, angle of inclination or mucous membrane were varied or introduced into the model. A stimulated and unstimulated modus were developed and tested with two different dosage forms. The time until the dosage form was cleared from the in vitro model was shorter with the stimulated than with the unstimulated modus. Also, esophageal-applied films had a prolonged transit time compared to a viscous syrup. The modification of the simulated esophageal surface made it possible to estimate the retention time of the dosage forms. It could be demonstrated that the residence time of a dosage form depends on different parameters affecting each other.
Die Wirksamkeit und Sicherheit einer Arzneitherapie wird durch zahlreiche pharmakokinetische Prozesse beeinflusst. Neben den durch CYP-450-Enzym vermittelten Biotransformationsvorgängen sind zunehmend Transportprozesse durch Arzneimitteltransporter aus der ABC- sowie SLC-Familie in den Fokus getreten, welche unter anderem in den Membranen der Enterozyten, aber auch in weiteren Organen exprimiert sind. Die Expression und Funktion der Arzneimitteltransporter kann beispielsweise durch Arzneistoffe beeinflusst werden und somit in Arzneimittelwechselwirkungen resultieren. Dass diese Regulationsmechanismen eine hohe Komplexität aufweisen, ist aus einer Vielzahl von klinischen Interaktionsstudien ersichtlich. In diesen führte die Applikation von bekannten Induktoren des Arzneistoffmetabolismus und -transports zu organspezifischen Veränderungen in der Pharmakokinetik der gleichzeitig verabreichten Arzneistoffe.
Ziel dieser Arbeit war es, zu einem besseren Verständnis der Expression und Regulation intestinaler Arzneimitteltransporter beizutragen, um somit Auswirkungen auf die Pharmakokinetik besser vorhersagen zu können. Dies beinhaltete zum einen die Mitarbeit an der Entwicklung und Validierung einer LC-MS/MS-basierten Methode zur Proteinquantifizierung, mit welcher auch in limitierten Gewebemengen die am stärksten exprimierten Membrantransporter ABCB1 (P-gp), ABCC2 (MRP2), ABCG2 (BCRP) und SLC15A1 (PEPT1) quantifiziert werden konnten. Parallel dazu wurden die Prozesse zur mRNA-Isolierung und -Quantifizierung optimiert.
In der präklinischen Forschung wird weitverbreitet das Caco-2-Zellmodell zur Prädiktion der intestinalen Absorption genutzt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte das Caco-2-Zellmodell dahingehend untersucht werden, ob es ein geeignetes Modell zur Prädiktion der intestinalen Absorption darstellt, auch in Bezug auf Induktionsvorgänge. In bereits publizierten Arbeiten wurde häufig eine gute Korrelation des Transporterexpressionsmusters auf mRNA-Ebene zwischen Caco-2 und Jejunum gezeigt. Die vorliegenden vergleichenden Ergebnisse zur mRNA- und Proteinexpression von Arzneimitteltransportern zeigten, dass sowohl im Zellmodell als auch im jejunalen Gewebe in Teilen deutliche Diskrepanzen zwischen mRNA und Transporterexpression bestehen. Auf der für die Funktion der Arzneimitteltransporter relevanten Proteinebene zeigten sich für ABCB1, ABCC2 und ABCG2 relativ gute Übereinstimmungen, während die Proteinexpression anderer Transporter, insbesondere OATP2B1, im Zellmodell deutlich abwich. Dies verdeutlicht, dass insgesamt Vorsicht geboten ist in der Prädiktion der intestinalen Absorption mittels Caco-2-Zellmodell, da zudem bereits auf mRNA-Ebene gezeigt worden ist, dass die Expression der Transporter sowohl von dem Zellklon als auch von den Kulturbedingungen anhängig ist. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Expression der Transporter in dem Zellmodell sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene zeitlich variabel ist. Somit empfiehlt sich ein noch vorsichtiger Umgang mit Daten zur intestinalen Absorption, welche auf Basis eines Caco-2-Modells mit verkürzter Kultivierungszeit erhoben worden sind. Induktionsprozesse konnten weder auf Ebene der mRNA-Expression oder des Proteingehaltes noch auf Ebene der Funktion in dem Caco-2-Zellmodell durch Inkubation mit prototypischen Induktoren des Arzneistoffwechsels (Carbamazepin, Efavirenz, Johanniskrautextrakt, Rifampicin) simuliert werden.
Weiterhin wurde die Induktion von intestinalen Arzneimitteltransportern in vivo untersucht. Chronische Gabe von Rifampicin führte zu einem Anstieg von ABCB1 und ABCC2 auf mRNA Ebene, welches nur im Fall von ABCB1 (P-gp) auf Proteinebene umgesetzt wurde. Die chronische Applikation von Carbamazepin resultierte ausschließlich in einer Induktion auf mRNA Ebene. Im Vergleich zu Rifampicin war diese jedoch auch geringer ausgeprägt. Der PXR-Ligand Rifampicin kann aufgrund einer hohen intestinalen PXR-Expression eine stärkere Induktion hervorrufen als Carbamazepin, welches präferentiell den nukleären Rezeptor CAR aktiviert. Begünstigt wird dies darüber hinaus dadurch, dass Rifampicin, nicht aber Carbamazepin, einem enterohepatischen Kreislauf unterliegt und Rifampicin somit über einen längeren Zeitraum im Intestinum in einer Konzentration vorliegt, welche notwendig ist, um eine Aktivierung der nukleären Rezeptoren zu erreichen. Regulationsvorgänge durch miRNAs können dafür verantwortlich sein, dass eine erhöhte Expression der mRNA nicht parallel mit einem Anstieg des Proteingehaltes einhergeht. Durch Korrelationsanalysen, in silico-Prädiktion sowie Untersuchungen mittels Reportergen-Assays konnten in der vorliegenden in vivo-Studie drei Interaktionen zwischen miRNAs und mRNAs (ABCB1 - miR-485-3p; ABCC2 - miR-26a-5p; ABCG2 - miR-577) identifiziert werden, welche potentiell den Translationsprozess verhindert bzw. abgeschwächt haben. Korrelationsanalysen mit bereits zuvor erhobenen Daten zur Pharmakokinetik der applizierten probe drugs deuten darauf hin, dass die systemische Verfügbarkeit von Ezetimib und dessen Glukuronid durch intestinales ABCB1 (P-gp), nicht jedoch wie zuvor angenommen durch intestinales ABCC2 (MRP2) beeinflusst wird. Insgesamt konnten nach chronischer Gabe von Rifampicin Korrelationen entlang der Signalkaskade ausgehend von der mRNA-Expression von PXR, über die mRNA Expression von ABCB1, unter Berücksichtigung der Expression der miRNA 485-3p bis hin zum Gehalt und der Funktion von ABCB1 (P-gp) gezeigt werden. Veränderungen des Plasmaspiegels von Talinolol nach chronischer Gabe von Carbamazepin sind hingegen nicht auf Induktionsvorgänge intestinaler Transportprozesse zurückzuführen. Die Ursachen dafür sind u.a. in der Erhöhung der renalen Clearance zu suchen. Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass nukleäre Rezeptoren, miRNAs und die pharmakokinetischen Eigenschaften der Induktoren selbst maßgeblich an der differenziellen Regulation von Transportprozessen beteiligt sind.
Abstract
Aim
To verify synergistic effects, we investigated the antimicrobial activity of seven phenolic phytochemicals (gallic acid; epicatechin; epigallocatechin gallate; daidzein; genistein; myricetin; 3‐hydroxy‐6‐methoxyflavone) in combination with six antibiotics against multidrug‐resistant isolates from the ESKAPE group.
Methods and Results
To investigate single phytochemicals and combinations, initial microdilution and checkerboard assays were used, followed by time‐kill assays to evaluate the obtained results. The research revealed that phenolic compounds on their own resulted in little or no inhibitory effects. During preliminary tests, most of the combinations resulted in indifference (134 [71.3%]). In all, 30 combinations led to antagonism (15.9%); however, 24 showed synergistic effects (12.8%). The main tests resulted in nine synergistic combinations for the treatment of four different bacteria strains, including two substances (3‐hydroxy‐6‐methoxyflavone, genistein) never tested before in such setup. Time‐kill curves for combinations with possible synergistic effects confirmed the results against Acinetobacter baumannii as the one with the greatest need for research.
Conclusions
The results highlight the potential use of antibiotic–phytocompound combinations for combating infections with multi‐resistant pathogens. Synergistic combinations could downregulate the resistance mechanisms of bacteria.
Significance and Impact of the Study
The aim of this study is to demonstrate the potential use of phenolic natural compounds in combination with conventional antibiotics against multidrug‐resistant bacteria of the ESKAPE group. Due to synergistic effects of natural phenolic compounds combined with antibiotics, pathogens that are already resistant to antibiotics could be resensitized as we were able to reduce their MICs back to sensitive. In addition, combination therapies could prevent the development of resistance by reducing the dose of antibiotics. This approach opens up the basis for future development of antimicrobial therapy strategies, which are so urgently needed in the age of multidrug‐resistant pathogens.
Multidrug-resistant gram-negative pathogens such as Escherichia coli have become increasingly difficult to treat and therefore alternative treatment options are needed. Targeting virulence factors like biofilm formation could be one such option. Inhibition of biofilm-related structures like curli and cellulose formation in E. coli has been shown for different phenolic natural compounds like epigallocatechin gallate. This study demonstrates this effect for other structurally unrelated phenolics, namely octyl gallate, scutellarein and wedelolactone. To verify whether these structurally different compounds influence identical pathways of biofilm formation in E. coli a broad comparative RNA-sequencing approach was chosen with additional RT-qPCR to gain initial insights into the pathways affected at the transcriptomic level. Bioinformatical analysis of the RNA-Seq data was performed using DESeq2, BioCyc and KEGG Mapper. The comparative bioinformatics analysis on the pathways revealed that, irrespective of their structure, all compounds mainly influenced similar biological processes. These pathways included bacterial motility, chemotaxis, biofilm formation as well as metabolic processes like arginine biosynthesis and tricarboxylic acid cycle. Overall, this work provides the first insights into the potential mechanisms of action of novel phenolic biofilm inhibitors and highlights the complex regulatory processes of biofilm formation in E. coli.
Transition metal complexes play a crucial role in antitumor therapy. Complexes of platinum, ruthenium as well as lanthanum and gallium have been investigated in preclinical as well as in clinical studies. The best known platinum(II) agents approved worldwide, cisplatin or carboplatin, are used in nearly 50% of all cancer therapies. This work focused on the development of new metal-based drugs that could act against human cancer cells. It was motivated in part by previous work with Cu(II) complexes, reporting new coordination compounds of SOD mimicking and cytotoxic activities. On the basis of this work we chose several commercially available heterocyclic ligands to synthesize new metal ion complexes in search of their interesting biological activity. New as well as previously reported Cu(II), Co(II), Pt(II) and Zn(II) complexes were synthesized using various ligands (1-6). Almost all chelating 2:1 ligand-metal complexes were obtained generally in water at room temperature in the reaction of metal(II) chloride with corresponding aromatic nitrogen ligands bearing an O-carboxylate group ligand. The synthesized chelating complexes were characterized by the use of spectroscopic methods, elemental analyses and HPLC chromatography and some by X-ray crystallography. Such coordination compounds are easily formed by transition metals with free orbitals d that can accept the donor electron pairs. The coordination is through the heterocyclic nitrogen and carboxylate oxygen donor atoms, which was shown by analysis of the characteristic functional groups in the IR spectra. The d-d transitions and absorption of visible light in Cu(II) and Co(II) complexes make them highly colored, blue, green or green-blue, respectively. The configuration of the coordination center was established in some cases by X-ray crystallography. Most of the already published structures possess the trans configuration. This led to the assumption that other uncrystallized complexes were also trans configured. However, X-ray data of the Cu(II) complex of 5 showed quite unexpectedly the cis configuration. On the other hand, the LC/MS experiments with the Pt(II) complex of 5 indicated that this complex exists in two isomeric forms, i.e., cis and trans at the Pt(II) center. Through the use of density functional calculations we optimized the structures and calculated the energies and dipole moments. The differences in energy for all complexes were about 6 to 15-fold lower when compared to cis and transplatin. The DFT calculations confirmed that the trans-isomers are more stable than their cis-isomers. UV-Vis stability studies with most of the synthesized complexes as well as some other Cu(II) complexes were performed to study the spectral changes over 24 h in addition of glutathione, a tripeptide present in the cancer cells and ascorbate that were added to the incubations. The results indicated time-dependent changes and instability of the complexes in the cells and their possible decomposition to lose the ligand and release the metal ion. In the case of Cu(II) complexes, reduction of Cu(II) to Cu(I) may take place. New species such as GSSG could arise and the complexes may decarboxylate, but these structures were not elucidated. The synthesized coordination metal(II) complexes were tested for their potential antiproliferative activities by using the crystal violet staining method in a panel of human cancer cell lines. Out of all complexes, three Pt(II) complexes of 2, 5 and 6 showed satisfactory activity and for these complexes the IC50 values were additionally determined in new RT-4, DAN-G and MCF-7 cancer cell lines. Interestingly, the active complexes were the chelating trans complexes which is quite unexpected, based on the difference in activities between cis and transplatin. All of the complexes were tested for their potential antimicrobial activities in comparison to the standard antibiotics on such bacterial strains as Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and yeast Candida maltosa. Co(II) complexes have been especially known to act against bacterial strains. The activity of the Co(II) complexes was indeed the highest of all metal(II) complexes. The ligand 2 (a nicotinic acid isomer) was also found active. This fact could explain why some antibacterial activity was found in the MIC assay. In addition to the complexes synthesized in this work, several novel heterocyclic metal(II) complexes of copper, ruthenium, platinum, gallium, osmium and lanthanum from other research groups were screened for their antiproliferative activity, some of which exhibited very potent activity in the cancer cell lines. In conclusion, Pt(II) complexes with bis-chelating heterocyclic carboxylate ligands represent a particularly interesting new class of compounds from the view point of their structural and biological properties.
In the search for new antifungal agents, this study dealt with the antimicrobial screening, extraction, isolation, structural elucidation as well as selective biological investigations of the isolated compounds. In addition, the impact of the culture conditions on growth and on biosynthesis of bioactive compounds was also studied. Besides, selective cyanobacteria were axenized and the taxonomy as well as the genetic relationship of axenic cyanobacteria that produced bioactive compounds with some other cyanobacteria was identified basing on the 16S rRNA gene sequences. 22 Vietnamese and 6 German cyanobacterial strains were screened for their antifungal activity using the agar diffusion assay. Among them, the MeOH/water extract from the biomass obtained from a laboratory culture of strain Bio 33, isolated from the Baltic Sea near Rügen Island, exhibited a specific antifungal activity against Candida maltosa and others human pathogenous fungi such as Candida albicans, Candida krusei, Aspergillus fumigatus, Microsporum gypseum, Trichophyton rubrum and Mucor sp. Besides, it was very impressed that extracts of strain Bio 33 showed no antibacterial activity against Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis, and Staphylococcus aureus. The taxonomy basing on 16S rRNA gene sequence of the axenic Bio 33 identified this strain as Anabaena cylindrica species. As a result of the bioassay-guided fractionation of the crude MeOH/water extract, four new lipopeptides, named balticidins A – D, were isolated. These lipopeptides represent a new structural type with the co-occurrence of a glycosylated cyclic peptide, a fatty acid containing chlorine and a disaccharide moiety. The main active fraction isolated from the MeOH/water extract of the biomass of Bio 33 which contains the four lipopeptides exhibited only marginal cytotoxic activity against the human bladder carcinoma cell line 5637 (IC50 = 93 μg/ml). The weak cytotoxic activity and the absence of antibacterial effects in the used in vitro test systems opens a promising future for further investigations to clarify the antifungal mechanism and for in vivo applications of the new lipopeptides. Different media, temperature, light intensity and period of irradiance, the depletion of nitrate and the trace element cobalt were investigated to figure out conditions at which Bio 33 produces maximum of balticidins under laboratory conditions. Temperature was the most apparent factor influencing the growth of Bio 33 and the production of balticidins. Bio 33 grew best in BG 11 medium plus 0.5% NaCl at 26°C, under white fluorescent continuous light and a light intensity of 20 μmol photons m-2 s-1. Nevertheless, under the same conditions, 22.5°C was the best temperature for the production of balticidins. Besides, harvesting of Bio 33 during the logarithmic growth phase, particularly at 20th day, should supply approximately maximum quantity of balticidins. At 22.5°C and 20 μmol photons m-2 s-1 under 24 h continuous irradiance, the depletion of nitrate had no negative effect on the growth and concentration of balticidin A but increased balticidin B and decreased balticidin C; the absence of cobalt slightly decreased the growth but had no clear effect on the production of balticidins. On the other hand, extracts of the culture medium of the Vietnamese cyanobacterium TVN40, exhibited antifungal activity against Candida maltosa and weak antibacterial activity. Extraction of the culture medium with XAD-16 and elution of the XAD-bounded compounds by different solvents resulted in five fractions (water, 80% MeOH, 100% MeOH, acetone, dichloromethan). Four compounds have been isolated from the 80% MeOH fraction and one was identified as a dioxindole derivative. Structural elucidation of the other three compounds is still in progress. TVN40 was formerly identified as an Anabaena sp. according to the morphological properties, but the 16S rRNA gene sequence confirms that the strain belongs to the genus Nostoc. Microscopic examination of TVN40 revealed that the filamentous strain was not a unialgal but a mixed culture with strange round cells (SRCs) - a unicellular cyanobacterium belonging to the order Chroococcales. Laboratory cultures of the pure filamentous strain TVN40, the isolated SRCs and the mixed culture of both strains were established. Both TVN40 and SRC culture media were responsible for the antibacterial activity against B. subtilis, S. aureus and E. coli. However, only the extract of the culture medium of TVN40 was active against C. maltosa. The supplement of cobalt enhanced the antimicrobial activity of the culture medium. Pure strains showed higher activity in comparison to the mixed culture of TVN40 and SRC.
Non-thermal atmospheric pressure plasma has drawn more and more attention to the field of wound healing research during the last two decades. It is characterized by a unique composition, which includes amongst others free radicals, ions and electrons. Furthermore, non-thermal plasma exhibits temperatures that are below those inducing thermal cell damage. Next to its well-established anti-bacterial properties, plasma can have lethal as well as stimulating effects on mammalian cells. Therefore, the medical application of non-thermal plasma on chronic wounds seems to be a promising tool to enable healing processes. However, less is known about the plasma-mediated induction of intracellular signaling pathways in human immune cells, which play a leading part in the process of wound recovery and removal of pathogens. Therefore, this thesis examined the cellular effects of a non-thermal atmospheric pressure plasma treatment on human immune cells using the argon plasma jet kinpen 09. Here, the CD4+ T helper cell line Jurkat, the monocyte cell line THP-1 as well as the corresponding primary cells were investigated. First, cell survival and apoptosis induction was assessed in response to non-thermal plasma treatment by growth curves and flow cytometric assays. On the one hand it could be shown that primary cells are more susceptible to plasma treatment than the respective cell lines. On the other hand, monocytes responded less sensitive to plasma exposure than lymphocytes. Furthermore, this thesis outlined the impact of non-thermal plasma treatment on the gene expression level of immune cells. Therefore, DNA microarray analysis was performed with the cell lines Jurkat and THP-1. It became obvious that plasma exposure modulated the expression of several genes in both cell types. Differential expression of distinct target genes was further validated by quantitative PCR in the immune cell lines. Here, elevated gene expression levels of JUN and FOS in Jurkat cells and increased transcription of JUND in THP-1 cells in response to plasma treatment were made visible. JUN, FOS and JUND are components of the transcription factor AP-1, which is involved amongst others in gene expression of IL-8 and HMOX-1. Consequently, transcriptional induction of the inflammatory cytokine IL-8 as well as the enzymes HMOX-1 and GSR was detected in plasma-treated THP-1 cells. In addition, alterations in the protein activation levels were analyzed in plasma-treated Jurkat, THP-1 cells and primary monocytes. Since some of the identified target genes are known to be associated with the MAPK pathways, the regulation of these cascades was further investigated by western blot analysis. In all investigated cell types the pro-proliferative signaling molecules ERK 1/2 and MEK 1/2 as well as the pro-apoptotic signaling proteins p38 MAPK and JNK 1/2 were activated in a plasma treatment time dependent manner. In contrast to Jurkat and primary monocytes, the anti-apoptotic HSP27 was only induced in THP-1 cells in response to plasma exposure. Moreover, modulation of cytokine production and secretion was examined in the different immune cell types and co-cultured THP-1 and HaCaT keratinocytes by ELISA or flow cytometry. While Jurkat cells showed no plasma-mediated regulation of cytokine expression, THP-1 cells revealed an increased IL-8 secretion after long plasma time duration (360 s). Additionally, the intracellular expression levels of IL-6 and IL-8 were modulated in primary monocytes by plasma exposure. While short plasma treatment caused no alteration of the number of cells expressing IL-8 an up-regulation of the intracellular IL-6 level occurred after 30 s of plasma treatment. Long plasma treatment times resulted in a significant decrease of the intracellular IL-8 and IL-6 production levels. Furthermore, co-cultured THP-1 and HaCaT cells as well as mono-cultured THP-1 and HaCaT cells were examined regarding their cytokine secretion profile. Here, cells treated with plasma (180 s) as well as LPS and plasma (180 s and LPS) were compared with untreated cells. IL-6, IL-8 and GM-CSF secretion was induced by both plasma and plasma combined with LPS treatment in mono-cultivated HaCaT cells and co-cultured cells. Though, the highest cytokine secretion levels were reached in the plasma and LPS exposed co-culture. In contrast, mono-cultivated THP-1 cells only showed an increased secretion of IL-6, IL-8 and TNFa after incubation with plasma together with LPS exposed medium. In conclusion, this study revealed for the first time the non-thermal plasma-modulated expression of numerous genes and cytokines and the activation state of various signaling cascades in human immune cells. Thus, it contributes to gain a better understanding of the immune-modulatory impacts of plasma that might promote the wound healing process.
Essential Oils as Multicomponent Mixtures and Their Potential for Human Health and Well-Being
(2022)
Essential oils (EOs) and their individual volatile organic constituents have been an inherent part of our civilization for thousands of years. They are widely used as fragrances in perfumes and cosmetics and contribute to a healthy diet, but also act as active ingredients of pharmaceutical products. Their antibacterial, antiviral, and anti-inflammatory properties have qualified EOs early on for both, the causal and symptomatic therapy of a number of diseases, but also for prevention. Obtained from natural, mostly plant materials, EOs constitute a typical example of a multicomponent mixture (more than one constituent substances, MOCS) with up to several hundreds of individual compounds, which in a sophisticated composition make up the property of a particular complete EO. The integrative use of EOs as MOCS will play a major role in human and veterinary medicine now and in the future and is already widely used in some cases, e.g., in aromatherapy for the treatment of psychosomatic complaints, for inhalation in the treatment of respiratory diseases, or topically administered to manage adverse skin diseases. The diversity of molecules with different functionalities exhibits a broad range of multiple physical and chemical properties, which are the base of their multi-target activity as opposed to single isolated compounds. Whether and how such a broad-spectrum effect is reflected in natural mixtures and which kind of pharmacological potential they provide will be considered in the context of ONE Health in more detail in this review.
Das Pankreaskarzinom hat mit einer durchschnittlichen Lebenserwartung von vier bis sechs Monaten nach der Diagnosestellung und einer 5-Jahres-Überlebensrate von lediglich 6 % eine extrem schlechte Prognose. Neben Umweltfaktoren beeinflussen verschiedene Mutationen (p53, Kras), die die Entstehung und Progression eines Pankreaskarzinoms. Aufgrund der geringen chirurgischen Möglichkeiten konzentriert sich die Behandlung auf chemotherapeutische, radiotherapeutische und alternative Maßnahmen. Einen großen Schwerpunkt in der Karzinombehandlung bildet dabei das Signalnetzwerk der EGF-Rezeptoren, die zelluläre Prozesse, wie Wachstum, Differenzierung, Zellmotilität und das Überleben der Zelle regulieren. Viele Therapeutika gegen das EGFR Signalnetzwerk befinden sich zurzeit in der klinischen Testphase, zeigten jedoch bisher nur marginale Überlebensvorteile für die behandelten Patienten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den therapeutischen Nutzen einer Anti-EGFR-Therapie bei der Tumorbehandlung näher zu bestimmen. In Zellkulturanalysen konnte nachgewiesen werden, dass auch bei Vorliegen einer Kras-Mutation die Signaltransduktion der EGF-Rezeptoren durch externe Wachstumsfaktoren zusätzlich aktiviert wird und einen Einfluss auf die Zellproliferation und Migration haben kann. In beiden Tiermodellen (p48+/cre; LSL-KrasG12D / p48+/cre; LSL-Trp53R172H/+; LSL-KrasG12D) kommt es zu endogenen pankreasspezifischen Veränderungen, die durch die Kras-Mutation hervorgerufen und durch die zusätzliche p53-Mutation verstärkt wurden. Die Analyse der Histologien zeigte eine Zunahme der Expressionsraten einzelner Rezeptoren und Liganden vom prämalignen Stadium zum Tumorgewebe. Die Expression der Rezeptoren korrelierte mit den Dysplasiegraden der Zellen in den duktalen Läsionen. Dabei wurden die Rezeptoren HER-1 und HER-2 nur zu Beginn der Tumorentstehung exprimiert, die Rezeptoren HER-3 und HER-4 überwiegend im späteren Verlauf der. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass einige der Läsionen durch Transdifferenzierung auch aus Inselzellen entstanden sind. Die hier gewonnenen Ergebnisse zeigen die Individualität einzelner Tumore die aus einem Gewebe entstehen und verdeutlichen die Notwendigkeit einer Protein-Expressionsanalyse vor Beginn einer Antitumorbehandlung. Dadurch können Therapeutika gegen das EGFR-System spezifischer eingesetzt, ihre Effizienzen erhöht, Nebenwirkungen reduziert werden und unnötige bzw. wirkungslose Therapien vermieden werden.
Untersuchungen zur Phytochemie und zur biologischen Aktivität von Pittosporum angustifolium Lodd.
(2014)
Pittosporum angustifolium Lodd. (Pittosporaceae) ist ein kleiner Baum, welcher ursprünglich in Australien beheimatet ist, wo er in den meisten inländischen Gebieten zwar zerstreut, aber lokal nie gehäuft vorkommt. Von dieser Spezies, welche oft auch mit der Trivialbezeichnung „Gumby Gumby” betitelt wird, werden im Bereich der Ethnomedizin Zubereitungen für verschiedenste Indikationsbereiche wie Schmerzen, Krämpfe, Erkältungen oder Hauterkrankungen verwendet. Auch in der Komplementärmedizin werden Präparationen dieser Pflanze als Additivum bei malignen Erkrankungen eingesetzt. Zielstellung der vorliegenden Dissertation war eine exakte Charakterisierung der Phytochemie von Pittosporum angustifolium sowie eine Untersuchung von Extrakten, Fraktionen und Isolaten auf deren biologische Aktivitäten. Neben zwei grundlegenden Diplomarbeiten [35,36] lagen zu Beginn dieser Arbeit (Januar 2010) keinerlei wissenschaftliche Publikationen diesbezüglich vor. Im Rahmen der Untersuchungen zur Phytochemie wurden aus australischem Drogenmaterial (Blätter und Samen) sowie aus selbstgezogenen Pflanzen (Blätter) insgesamt 55 Triterpensaponine isoliert. Von diesen konnten 33 vollständig und fünf teilweise strukturell aufgeklärt werden, wobei 29 Verbindungen, welche als Pittangretoside A-Z und A1-C1 bezeichnet wurden, erstmalig als Naturstoffe beschrieben werden konnten. Hierbei handelt es sich um Aglyka vom Oleanan-, 17,22 seco Oleanolsäure- und Taraxasterol-Typ, welche mono- oder bisdesmosidisch vorliegen. Zwischen den verwendeten Drogen-Chargen konnten sowohl quali- als auch quantitative Unterschiede hinsichtlich der Phytochemie festgestellt werden. In allen untersuchten Pflanzenteilen (Blatt, Samen, Spross, Wurzel) wurden Triterpensaponine nachgewiesen. Von weiteren 13 isolierten Polyphenolen konnten drei als glykosylierte Flavonole und weitere drei als Derivate von mit Kaffeesäure substituierter Chinasäure identifiziert werden. Es handelt sich hierbei um bekannte Verbindungen. Über weitere Bestimmungen konnten Fettsäuren sowie als Bestandteile des ätherischen Öls Mono- und Sesquiterpene sowie C13 Isoprenoide bestimmt werden. Über verschiedene Testsysteme und Assays wurden Überprüfungen hinsichtlich biologischer Aktivitäten der Polyphenole und insbesondere der Triterpensaponine durchgeführt. Für letztere konnten über Agardiffusionstests antimikrobielle Wirkungen gegen mehrere Candida Arten, hämolytische und gegen mehrere tumorigene Zelllinien zytotoxische Effekte nachgewiesen werden. Weiterhin wurde eine Hemmung der humanen Topoisomerase I belegt. Alle beobachteten Aktivitäten sind an strukturelle Voraussetzungen der Triterpensaponine wie das Acylierungsmuster und die Zuckerverknüpfung gebunden. Hierzu konnten interessante Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet werden. So scheint für viele der gezeigten biologischen Effekte eine Acylierung mit hauptsächlich C5-Resten an Position C-22 bzw. C-21 und C-22 des Aglykons essentiell zu sein, während sich Verbindungen mit fehlender oder an C-28 vorhandener Acylierung in den durchgeführten Untersuchungen als vergleichsweise schwächer oder nicht aktiv erwiesen. Unterschiedliche Zuckerkompositionen zeigten hierbei einen abschwächenden oder verstärkenden Einfluss. Für die isolierten Polyphenole wurde eine antioxidative Aktivität nachgewiesen. Zusätzlich ergaben sich Hinweise auf eine mögliche Induktion von IL8 durch den Rohextrakt der australischen Blattdroge. Eine Überprüfung von Saponinen und Polyphenolen via NMDA-Rezeptor- und Cholinesterase-Inhibitionsassay erbrachte keinen Anhaltspunkt für eine antidementive Wirkung. Ebenso konnte kein Nachweis für eine antiphlogistische Wirkung (Bestimmung von TNFalpha) und für die Beeinflussung weiterer Zytokine (IL1beta und IL10) erbracht werden. Über einige dieser Ergebnisse lassen sich Anwendungsbebiete im Bereich der Komplementärmedizin wie z. B. bei malignen Erkrankungen erklären. Für andere ethnomedizinische Indikationen konnten aufgrund nicht zur Verfügung stehender oder nicht adequater Testsysteme keine abschließenden, beurteilenden Aussagen getroffen werden.
Die vorliegende kumulative Dissertation beschäftigt sich mit Anwendungstechniken und Strategien in der HPLC mit dem Ziel, die Möglichkeiten moderner pharmazeutischen Analytik aufzuzeigen und zu optimieren. Schwerpunkte der Untersuchungen liegen dabei einerseits auf dem Gebiet der Enantiomerenanalytik mittels Circulardichroismus-Spektroskopie (CD) sowie ferner auf dem wichtigen Aspekt der Charakterisierung und Auswahl stationärer Phasen, unter erstmaliger Einbeziehung neuartiger calixaren-gebundener Phasen. Ein weiterer Schwerpunkt in der Arbeit war es, Optimierungsstrategien für die Entwicklung von HPLC-Methoden zu erarbeiten, wozu chromatographische Modelling-Programme genutzt wurden. Auch hier wurden neue Erkenntnisse durch die Testung der Calixarenphasen im Vergleich mit einigen anderen kommerziellen Packungsmaterialien gewonnen. Die Bewertung der Fähigkeit von verschiedenen Calixarenen zur Bildung von Wirt-Gast-Komplexen mit chiralen pharmazeutischen Wirkstoffen in verschiedenen Lösungen (Acetonitril, Methanol und Wasser), einschließlich der Vergleiche von wasserlöslichen Calixarenen und drei pharmazeutisch relevanten Cyclodextrinen mittels CD-Spektroskopie wurde durchgeführt. Dabei konnte ein Beitrag zum Verständnis des Mechanismus der Komplexbildung, basierend auf den CD-Spektren der Wirkstoffe mit unterschiedlichen Wirtsmakrozyklen geleistet werden. Eine systematische Bewertung der Anwendbarkeit einer chromatographischen Modellierungssoftware für calixaren- und resorcinaren-gebundene stationäre Phasen und einiger anderer relativ neuer Umkehrphasensäulen im Vergleich mit konventionellen Alkyl-gebundenen Phasen wurde erstmals durchgeführt, um die Genauigkeit der Vorhersage der Retentionszeiten zu überprüfen und die Ergebnisse von zwanzig verschiedenen Säulen zu vergleichen. Als praktische Anwendung wurden HPLC-Methoden für die simultane Trennung von einigen der wichtigsten Lokalanästhetika auf der Grundlage QbD-Prinzipien mit einer systematischen Vorgehensweise und experimentellem Design entwickelt, wobei ein oder mehrere Faktoren gleichzeitig geändert wurden. Zusammenfassend konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit die Relevanz moderner Anwendungstechniken und Optimierungsstrategien in der HPLC für die erfolgreiche Entwicklung von analytischen Methoden dargestellt werden. Ein grundlegendes Instrument ist die Computersimulation, die das Verständnis und die Visualisierung von chromatographischen Verhalten in silico ermöglicht und damit die experimentelle Belastung deutlich reduziert, was aber in der Regel mit der Erreichung robuster Methoden verbunden ist.
In der heutigen Arzneimitteltherapie stellt die orale Verabreichung die bevorzugte Applikationsart dar, folglich ist die orale Bioverfügbarkeit der Wirkstoffe für den Therapieerfolg von großer Bedeutung. Eine Vielzahl der neuen Arzneistoffe ist lipophil und schlecht wasserlöslich, somit weisen sie oft schlechte Voraussetzungen für die orale Therapie auf. Gleichermaßen können intestinaler Metabolismus und Efflux-Transporter die systemische Verfügbarkeit von Arzneistoffen vermindern. Nichtionische Tenside beeinflussen die orale Bioverfügbarkeit von Arzneistoffen auf unterschiedliche Weise. Lange Zeit herrschte die Annahme, dass Hilfsstoffe wie Tenside pharmakologisch inert sind, und sie wurden hauptsächlich in klassisch technologischem Sinn als Solubilisatoren eingesetzt. Diese Annahme ist widerlegt, jedoch sind derzeit nur wenige Studien publiziert, in denen die Stabilität von nichtionischen Tensiden im Gastrointestinaltrakt oder Interaktionen mit Enzymen untersucht wurde. Ein Ziel dieser Arbeit war es, pharmazeutisch genutzte nichtionische Tenside unterschiedlicher Struktur hinsichtlich ihrer Stabilität unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Ausgewählt wurden die ethoxylierten Verbindungen Polysorbat 80 und D-α-Tocopherol Polyethylenglykol (1000) Succinat (TPGS) sowie der Saccharosefettsäureester Surfhope® SE D 1216 (Saccharoselaurat). Kapitel 1 und 2 beschreiben die Entwicklung analytischer Methoden für diese sehr heterogen zusammengesetzten Verbindungen, die auf chromatographischer Trennung mittels HPLC (High Performance Liquid Chromatography) und Detektion mit einem Charged Aerosol-Detektor (CAD), massenselektiven Detektor (MSD) und UV-Detektor basieren. Die Inkubation von Polysorbat 80 und TPGS in HCl-Lösung (pH 1,0) bei 37°C, wodurch die physiologischen Bedingungen im Magen dargestellt werden sollten, ergab einen geringfügigen Abbau von 9,5% (± 3,0%) bzw. 3,4% (± 0,4%) innerhalb von 8 h. Saccharoselaurat unterlag einem Abbau von über 50% innerhalb von 8 h, während sich alle drei Verbindungen in Wasser stabil zeigten. In den letzten Jahren erlangten neue Technologien, die schlecht wasserlösliche Wirkstoffe oral verfügbar machen sollen, immer mehr an Bedeutung. Umfassende Entwicklungsarbeit kommt dabei selbst-emulgierenden Lipidsystemen zu. SEDDS (Self-emulsifying Drug Delivery Systems) enthalten mitunter große Mengen an nichtionischen Tensiden. Da der Erfolg dieser Formulierungen maßgeblich vom Ausmaß des Triglyceridabbaus sowie Entstehung und Art der Abbauprodukte abhängt, wurde ein Einfluss durch diese amphiphilen Verbindungen getestet. In Kapitel 3 wird die inhibitorische Wirkung von nichtionischen Tensiden auf den Triglyceridabbau durch die Pankreaslipase untersucht. Als weitere Tenside wurden die Macrogolglycerolfettsäureester Cremophor® EL und Cremophor® RH 40 hinzugezogen. Alle Verbindugen hemmen den Triglyceridabbau konzentrationsabhängig bereits unterhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration. Weiterhin wurde die Stabilität der Tenside selbst gegenüber Pankreasenzymen getestet, da ein Abbau ebenfalls die Solubilisierungskapazität der gastrointestinalen Flüssigkeit vermindern kann. Die Fettsäureester von Polysorbat 80 sind zu 14,0% (± 1,0%) hydrolysiert worden. Im Fall von Cremophor EL wurden 14,4% (± 3,3%) hydrolysiert, während sie bei Cremophor RH 40 zu einem geringeren Anteil von 6,1% (± 2,8%) abgebaut wurden. TPGS und Saccharoselaurat zeigten sich stabil gegenüber Pankreasenzymen. Gegenstand neuester Forschung ist ferner die Möglichkeit der Beeinflussung intestinaler arzneistoffmetabolisierender Enzyme durch nichtionische Tenside. In Kapitel 4 werden Wechselwirkungen mit dem Arzneistoffmetabolismus durch die Cytochrom P450 Isoenzyme CYP 3A4 und CYP 2C9, die beim intestinalen Metabolismus die bedeutendste Rolle spielen, untersucht. Bei allen Tensiden konnte eine konzentrationsabhängige Inhibition hinsichtlich des Metabolismus eines Modellsubstrats bereits unterhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration festgestellt werden. Aus diesen Ergebnissen lässt sich folgern, dass das Kriterium der pharmakologischen Indifferenz von Hilfsstoffen in vielen Fällen nicht gegeben ist. Des Weiteren verdeutlichen sie die Notwendigkeit, im Rahmen der Entwicklung von komplex zusammengesetzten Formulierungen zunächst eine Untersuchung und quantitative Bewertung des Stabilitätsverhaltens durchzuführen. Insbesondere bei selbst-emulgierenden Lipidsystemen muss berücksichtigt werden, dass sowohl der Abbau der Tenside als auch die inhibitorische Aktivität dieser gegenüber der triglyceridabbauenden Pankreaslipase maßgeblichen Einfluss auf die Arzneistoffsolubilisierung haben. Die Fähigkeit, intestinale CYP450 Enzymen zu inhibieren, eröffnet die Möglichkeit, diese nichtionenschen Tenside zur gezielten Metabolismushemmung einzusetzen. Dadurch kann die Bioverfügbarkeit von „Problemarzneistoffen“, sofern sie Substrate dieser Enzyme darstellen, erhöht werden.
Die Ziele der vorliegenden Arbeit bestanden in der 1. eigenen Beurteilung der Bedeutung der Hepatitis B-Infektion bei Hämodialysepatienten mittels einer retrospektiven Krankenblattanalyse im etablierten Dialysezentrum Stralsund, 2. Ermittlung der Serokonversionsraten von Hämodialysepatienten sowie präterminal niereninsuffizienten Patienten nach einer Immunisierung gegen Hepatitis B, 3. Untersuchung der SCN‾-Spiegel bei Hämodialysepatienten, Einfluß der Hämodialyse auf diese Spiegel und Eruierung der Möglichkeiten zur Erlangung physiologischer Verhältnisse, 4. Untersuchung des Einflusses einer oralen SCN‾-Supplementierung auf die Immunantwort bei Hämodialysepatienten im Rahmen einer Immunisierung gegen Hepatitis B, 5. Spiegelbestimmungen von Neopterin und Procalcitonin bei Hämodialysepatienten und mögliche Einflüsse einer Immunisierung gegen Hepatitis B auf deren Höhe. Mittels der eigenen retrospektiven Krankenblattanalyse konnte die deutlich höhere Prävalenz hinsichtlich des Auftretens der Virushepatitis B bei Hämodialysepatienten herausgearbeitet werden. Zudem waren nicht nur hohe Infektionszahlen sondern auch häufiger chronische Verläufe nachweisbar. Aufgrund der ebenfalls darstellbaren deutlich reduzierten Serokonversionsraten nach eingeführter Immunisierung gegen Hepatitis B bei den Hämodialysepatienten und präterminal niereninsuffizienten Patienten blieb die Prävalenz der Hepatitis B-Infektion im Dialysezentrum weiter hoch. Erst die Möglichkeit einer konsequenten Distanzierung von Patienten mit serologischen Zeichen einer Virushepatitis B gestaltete die Prävention neuer Infektionen erfolgreich. In der Untersuchung konnte gezeigt werden, dass sich die SCN‾-Spiegel der Dialysepatienten vor der Hämodialyse im unteren Bereich der physiologischen Norm und nach erfolgter Hämodialyse unter der physiologischen Norm befinden. Mittels oraler Substitution von SCN‾ gelingt ein vollständiger Ausgleich des hämodialysebedingten SCN‾-Verlustes und führt zu durchgängig physiologischen Spiegeln. Die Serokonversionsrate nach erfolgter Boosterung der Hepatitis BImmunisierung konnte bei den mit zusätzlich SCN‾ versorgten Patienten signifikant gesteigert werden. Bei 12 der 14 in den Versuch einbezogenen Hämodialysepatienten konnte ein stimulierender Effekt unabhängig von der Zahl der vorangegangenen Boosterimpfungen beobachtet werden. Eine Beziehung zwischen Impferfolg und Parametern des Dialysestatus der untersuchten Patienten konnte nicht hergestellt werden. Somit gelingt auch mittels dieser Untersuchung die wünschenswerte Unterscheidung zwischen Respondern und Nonrespondern nicht. In der vorliegenden Untersuchung konnte bestätigt werden, dass bei Hämodialysepatienten die Neopterinspiegel gegenüber der Norm erhöht sind. Dabei war die individuelle Streuung der Neopterinspiegel dieser Patienten hoch. So macht erst die Kenntnis der individuellen Neopterinspiegelverhältnisse der Hämodialysepatienten eine diagnostische Verwertung hinsichtlich Erkennung von Viruserkrankungen möglich. Die Neopterinspiegel stiegen nach Immunisierung gegen Hepatitis B an, das Maximum dieses Anstieges trat jedoch zu unterschiedlichen Zeiten nach der Impfung auf. Diese erhöhten Neopterinspiegel blieben noch mehrere Tage nach der Impfung nachweisbar. Zudem konnte eine Beziehung zwischen Anstieg des Neopterinspiegels nach erfolgter Immunisierung und Anstieg des Antikörpertiters nachgewiesen werden. Die in dieser Arbeit untersuchten Hämodialysepatienten wiesen überwiegend stabile, geringradig über der physiologischen Norm liegende Procalcitoninspiegel auf. Signifikante Unterschiede der Procalcitoninspiegel vor und nach Hämodialyse waren nicht nachweisbar. Berücksichtigt man die geringradige Erhöhung der stabil nachweisbaren Procalcitoninspiegel bei Hämodialysepatienten, kann das Procalcitonin als diagnostisches Merkmal bei bestimmten inflammatorischen Reaktionen genutzt werden. Beziehungen zwischen Höhe der Procalcitoninspiegel und der erfolgten Immunisierung gegen Hepatitis B bei den Hämodialysepatienten ergaben sich nicht.
Im Laufe der letzten Jahre hat sich herausgestellt, dass Transportproteine einen entscheidenden Beitrag zur Absorption, Verteilung und Elimination zahlreicher Endo- und Xenobiotika leisten. Vor allem die hepatobiliäre Elimination nimmt eine Schlüsselrolle in systemischen Clearance-Prozessen ein. Vor dem Hintergrund, dass immer mehr hochmolekulare und metabolisch stabile Stoffe Eingang in die Arzneistoffentwicklung finden und diese vorwiegend hepatobiliär eliminiert werden, wurde es erforderlich, differenziertere Kompartimentmodelle zu entwickeln, um singuläre Substanzeffekte auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Gerade Interaktionen zwischen simultan verabreichten Arzneistoffen können zu erheblichen Nebenwirkungen durch Veränderung pharmakokinetischer Eliminationsprozesse in Kombination mit erhöhter oder eingeschränkter Bioverfügbarkeit führen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, für die frühe Arzneistoffentwicklung ein In vitro-Modell auf Basis des pharmakokinetischen Standardtiermodells der Ratte zu konzipieren, welches eine einfache Analyse hepatobiliärer Elimination auf indirektem Weg über die Interaktion mit fluoreszierenden Modellsubstraten ermöglicht. Die Zielvorgabe wurde umgesetzt, indem auf Basis literaturbeschriebener Methoden ein In vitro-Rattenhepatozytenmodell etabliert wurde. Hierfür war es zunächst unerlässlich, geeignete Kultivierungsbedingungen zu identifizieren und zu optimieren. Es konnte gezeigt werden, dass primäre Hepatozyten nur befähigt wurden, sich in vitro zu repolarisieren und eine in vivo-ähnliche Morphologie anzunehmen, wenn sie eingebettet zwischen zwei extrazellulären Kollagenmatrices kultiviert wurden. Diese sogenannte Sandwichkultivierung der Zellen und die Supplementierung des Zellkulturmediums mit dem Glukokortikoid Dexamethason erwiesen sich hierfür als wesentliche Faktoren. Die Hepatozyten reformierten sich folglich innerhalb von 96 Stunden unter Ausbildung eines vollständigen und sehr einheitlichen Gallengangssystems, welches nahezu jeden Hepatozyten umschloss. Nach Etablierung der Zellkultur wurden die sandwichkultivierten Hepatozyten hinsichtlich der Proteinexpression, ausgewählte Transportproteine und Cytochrome umfassend, über einen Kultivierungszeitraum von 10 Tagen charakterisiert, um die Validität des Zellsystems zu gewährleisten. Unter Bei-behaltung der optimierten Kultivierungsbedingungen konnte mit zunehmendem Repolarisierungsstatus der Zellen ein Anstieg der apikalen Transportproteinexpression unter Begleitung einer Erhöhung der molekularen Masse der Transportproteine verzeichnet werden. Als Grund für die Molekulargewichtszunahme im Laufe des Redifferenzierungsprozesses der Zellen konnte die posttranslationale N-Glykosylierung am Beispiel der Transportproteine P-gp, Mrp2 und Bcrp identifiziert werden. Verifiziert wurden die Proteinexpressionsdaten, die apikalen Effluxtransporter P-gp, Mrp2, Bsep und Bcrp betreffend, über die Bestimmung der funktionellen Aktivität unter Verwendung fluoreszierender Modellsubstrate über einen Kultivierungszeitraum von 8 Tagen. Diese funktionelle Aktivität der Transportproteine wurde durch das Erscheinen fluoreszierender Moleküle in den Lumina der Gallenkanälchen ersichtlich und nahm mit voranschreitender Maturierung des Gallenkanalnetzwerkes sowie mit Verstärkung der Transportproteinexpression, gekoppelt mit dem Grad der N-Glykosylierung, zu. Die Selektivität der einzelnen Modellsubstrate wurde mittels in der Literatur beschriebener Substrate und Inhibitoren untersucht und bestätigt. Auf Basis der funktionellen Charakterisierung wurde im Anschluss eine indirekte In vitro-Methode entwickelt, welche die Voraussetzung schuf, Interaktionspotentiale von Arzneistoffen mit Effluxtransportproteinen zu evaluieren. Die Inhibition eines apikalen Transportproteins resultierte dabei prinzipiell in Abhängigkeit der eingesetzten Substanzkonzentration in einer Reduktion des eliminierten fluoreszierenden Modellsubstratanteils, was mit einer Zunahme der intrazellulären Fluoreszenz korrelierte. So konnte aufgezeigt werden, dass bekannte Inhibitoren und Substrate die Transport-proteinaktivität konzentrationsabhängig reduzierten, ohne dass der sichtbare Effekt auf toxische Effekte der eingesetzten Substanzen zurückzuführen war. Dies konnte mittels des Zelltoxizitätsmarkers Alamar blue nachgewiesen werden. Clonidin, welches nicht als ABC-Transportersubstrat beschrieben worden ist, interagierte erwartungsgemäß auch mit keinem der Transportprozesse. Der Einsatz eines derartigen In vitro-Systems in der frühen Arzneistoffentwicklung könnte helfen, geeignete Arzneistoffkandidaten auszuwählen, welche ein geringes Potential aufweisen, mit hepatobiliären Effluxsystemen zu interagieren, um die Gefahr schwerer Arzneimittelnebenwirkungen zu minimieren.
Marine Bacteroidetes that degrade polysaccharides contribute to carbon cycling in the ocean. Organic matter, including glycans from terrestrial plants, might enter the oceans through rivers. Whether marine bacteria degrade structurally related glycans from diverse sources including terrestrial plants and marine algae was previously unknown. We show that the marine bacterium Flavimarina sp. Hel_I_48 encodes two polysaccharide utilization loci (PULs) which degrade xylans from terrestrial plants and marine algae. Biochemical experiments revealed activity and specificity of the encoded xylanases and associated enzymes of these PULs. Proteomics indicated that these genomic regions respond to glucuronoxylans and arabinoxylans. Substrate specificities of key enzymes suggest dedicated metabolic pathways for xylan utilization. Some of the xylanases were active on different xylans with the conserved β-1,4-linked xylose main chain. Enzyme activity was consistent with growth curves showing Flavimarina sp. Hel_I_48 uses structurally different xylans. The observed abundance of related xylan-degrading enzyme repertoires in genomes of other marine Bacteroidetes indicates similar activities are common in the ocean. The here presented data show that certain marine bacteria are genetically and biochemically variable enough to access parts of structurally diverse xylans from terrestrial plants as well as from marine algal sources.
Metabolic engineering enables Bacillus licheniformis to grow on the marine polysaccharide ulvan
(2022)
Background
Marine algae are responsible for half of the global primary production, converting carbon dioxide into organic compounds like carbohydrates. Particularly in eutrophic waters, they can grow into massive algal blooms. This polysaccharide rich biomass represents a cheap and abundant renewable carbon source. In nature, the diverse group of polysaccharides is decomposed by highly specialized microbial catabolic systems. We elucidated the complete degradation pathway of the green algae-specific polysaccharide ulvan in previous studies using a toolbox of enzymes discovered in the marine flavobacterium Formosa agariphila and recombinantly expressed in Escherichia coli.
Results
In this study we show that ulvan from algal biomass can be used as feedstock for a biotechnological production strain using recombinantly expressed carbohydrate-active enzymes. We demonstrate that Bacillus licheniformis is able to grow on ulvan-derived xylose-containing oligosaccharides. Comparative growth experiments with different ulvan hydrolysates and physiological proteogenomic analyses indicated that analogues of the F. agariphila ulvan lyase and an unsaturated β-glucuronylhydrolase are missing in B. licheniformis. We reveal that the heterologous expression of these two marine enzymes in B. licheniformis enables an efficient conversion of the algal polysaccharide ulvan as carbon and energy source.
Conclusion
Our data demonstrate the physiological capability of the industrially relevant bacterium B. licheniformis to grow on ulvan. We present a metabolic engineering strategy to enable ulvan-based biorefinery processes using this bacterial cell factory. With this study, we provide a stepping stone for the development of future bioprocesses with Bacillus using the abundant marine renewable carbon source ulvan.
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.
Summary
Outer membrane extensions are common in many marine bacteria. However, the function of these surface enlargements or extracellular compartments is poorly understood. Using a combined approach of microscopy and subproteome analyses, we therefore examined Pseudoalteromonas distincta ANT/505, an Antarctic polysaccharide degrading gamma‐proteobacterium. P. distincta produced outer membrane vesicles (MV) and vesicle chains (VC) on polysaccharide and non‐polysaccharide carbon sources during the exponential and stationary growth phase. Surface structures of carbohydrate‐grown cells were equipped with increased levels of highly substrate‐specific proteins. At the same time, proteins encoded in all other polysaccharide degradation‐related genomic regions were also detected in MV and VC samples under all growth conditions, indicating a basal expression. In addition, two alkaline phosphatases were highly abundant under non‐limiting phosphate conditions. Surface structures may thus allow rapid sensing and fast responses in nutritionally deprived environments. It may also facilitate efficient carbohydrate processing and reduce loss of substrates and enzymes by diffusion as important adaptions to the aquatic ecosystem.
Antimicrobial resistance (AMR) is of paramount importance in the context of One Health, an integrated and unifying approach that aims to achieve a sustainable balance in the well-being of people, domestic and wild animals, plants, and their shared environments. Whenever bacteria become resistant to the therapeutic effects of antibiotics, they can cause infections that are difficult to treat effectively, increasing the risk of severe disease progression and death. Although AMR can develop naturally over time and is per se “ancient”, the excessive use of antibiotics in human and veterinary medicine over the past century has significantly accelerated its emergence and spread. Opportunistic Gram-negative enterobacteria, particularly Escherichia coli (E. coli ) and Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) strains, increasingly exhibit resistance to multiple classes of clinically used antibiotics, thus presenting multidrug-resistant (MDR) phenotypes. To make matters worse, some of these strains combine multidrug resistance with high-level virulence, posing a threat to both immunocompromised and healthy individuals. Consequently, MDR E. coli and K. pneumoniae have been designated as high-risk pathogens by the World Health Organization, underscoring the urgent need for new antibiotic development.
This thesis is motivated by the fact that only a limited number of international high-risk clonal E. coli and K. pneumoniae lineages stand out across all One Health dimensions and dominate the broad pool of MDR enterobacteria. While we only know little about the underlying drivers and contributing factors impacting their occurrence, emergence, and adaptation across different ecologies, this thesis employs a diverse range of bioinformatics and phenotypic approaches to identify the key factors important for the success of these lineages, also in rather under-explored settings. It includes three main components: (i) the analysis of genomic survey data of MDR E. coli isolates from ecologies in sub-Saharan Africa, (ii) the application of functional genomics and phenotyping techniques to characterize bacterial virulence and assess its clinical relevance in a food-borne E. coli strain, and (iii) the investigation of evolutionary pathways that promote the development of resistance to a novel drug combination and exploring compensatory mechanisms in a K. pneumoniae strain. To achieve these objectives, this research integrates genomics and transcriptomics with molecular biology and functional studies encompassing a comprehensive set of in vitro and in vivo virulence and resilience assays to explore MDR bacteria in-depth.
We provide compelling evidence for the broad occurrence of successful high-risk clonal lineages in the One Health context and their circulation among clinics, wildlife, and food in international locations. In the first study, we isolated extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing E. coli strains from houseflies collected from various wards at the University Teaching Hospital of Butare (Rwanda). In a follow-up study, we then examined in-depth the genomes of additional ESBL-producing E. coli from the same clinic and obtained from hospitalized patients, their caregivers, associated community members, and pets. The analyses revealed that the sample sets from this sub-Saharan African context consisted predominantly of globally recognized E. coli lineages, including sequence types (ST)131, ST167, ST410, and ST617. They play a pivotal role in the further dissemination and stabilization of AMR across diverse habitats within the One Health context. Moreover, our genomic results emphasize that these One Health-related high-risk clonal lineages exhibit the ability to successfully combine multidrug resistance with high-level bacterial virulence.
To gain a more detailed understanding of the sophisticated interplay of virulence and AMR, we developed and refined a set of in vitro and in vivo methods for virulence phenotyping. These methodologies enabled us to characterize pathogens based on crucial clinical aspects such as biofilm formation, siderophore secretion, resistance to complement-mediated killing, and their capacity to cause mortality in Galleria mellonella larvae. By using a food-borne E. coli strain from an internationally recognized high-risk clonal lineage, we verified the remarkable combination of a MDR phenotype with clinically significant virulence properties, including synthesis of curli fibers and cellulose as part of biofilm formation, extensive secretion of siderophores, resilience against complement-containing human serum and pronounced mortality in the infection model.
Nevertheless, the success of One Health-related high-risk clonal lineages does not rely solely on an “ideal” synergistic interplay between bacterial virulence and AMR. It also depends on their ability to rapidly mitigate the fitness costs associated with AMR acquisition, as these costs manifest in the form of reduced competitiveness and virulence in the absence of antibiotics. However, this is at odds with the observation of the global distribution of One Health-related high-risk clonal lineages across various One Health dimensions, even in environments with expectedly low selection pressures. To comprehensively address this, we conducted experimental evolution studies selecting for ceftazidime-avibactam-resistant mutants, which illuminated the rapid adaptations to changing environments. The adaptations and compensatory mechanisms were seemingly driven by major bacterial regulators, including the envelope stress response regulator RpoE on genomic and transcriptomic levels.
In conclusion, the results of this thesis shed light on the fundamental principles that govern the character and interplay between AMR and bacterial virulence and advance our understanding of the contributors and drivers of successful MDR international high-risk clonal lineages in the One Health context. This is also important for effective and alternative intervention strategies to prospectively further address the global threat of AMR.
Highly Virulent and Multidrug-Resistant Escherichia coli Sequence Type 58 from a Sausage in Germany
(2022)
Studies have previously described the occurrence of multidrug-resistant (MDR) Escherichia coli in human and veterinary medical settings, livestock, and, to a lesser extent, in the environment and food. While they mostly analyzed foodborne E. coli regarding phenotypic and sometimes genotypic antibiotic resistance and basic phylogenetic classification, we have limited understanding of the in vitro and in vivo virulence characteristics and global phylogenetic contexts of these bacteria. Here, we investigated in-depth an E. coli strain (PBIO3502) isolated from a pork sausage in Germany in 2021. Whole-genome sequence analysis revealed sequence type (ST)58, which has an internationally emerging high-risk clonal lineage. In addition to its MDR phenotype that mostly matched the genotype, PBIO3502 demonstrated pronounced virulence features, including in vitro biofilm formation, siderophore secretion, serum resilience, and in vivo mortality in Galleria mellonella larvae. Along with the genomic analysis indicating close phylogenetic relatedness of our strain with publicly available, clinically relevant representatives of the same ST, these results suggest the zoonotic and pathogenic character of PBIO3502 with the potential to cause infection in humans and animals. Additionally, our study highlights the necessity of the One Health approach while integrating human, animal, and environmental health, as well as the role of meat products and food chains in the putative transmission of MDR pathogens.
Multi-drug resistant (MDR), gram-negative Enterobacteriaceae, such as Escherichia coli (E. coli) limit therapeutic options and increase morbidity, mortality, and treatment costs worldwide. They pose a serious burden on healthcare systems, especially in developing countries like Rwanda. Several studies have shown the effects caused by the global spread of extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing E. coli. However, limited data is available on transmission dynamics of these pathogens and the mobile elements they carry in the context of clinical and community locations in Sub-Saharan Africa. Here, we examined 120 ESBL-producing E. coli strains from patients hospitalized in the University Teaching Hospital of Butare (Rwanda), their attending caregivers as well as associated community members and livestock. Based on whole-genome analysis, the genetic diversification and phylogenetics were assessed. Moreover, the content of carried plasmids was characterized and investigated for putative transmission among strains, and for their potential role as drivers for the spread of antibiotic resistance. We show that among the 30 different sequence types (ST) detected were the pandemic clonal lineages ST131, ST648 and ST410, which combine high-level antimicrobial resistance with virulence. In addition to the frequently found resistance genes blaCTX–M–15, tet(34), and aph(6)-Id, we identified csg genes, which are required for curli fiber synthesis and thus biofilm formation. Numerous strains harbored multiple virulence-associated genes (VAGs) including pap (P fimbriae adhesion cluster), fim (type I fimbriae) and chu (Chu heme uptake system). Furthermore, we found phylogenetic relationships among strains from patients and their caregivers or related community members and animals, which indicates transmission of pathogens. Also, we demonstrated the presence and potential transfer of identical/similar ESBL-plasmids in different strains from the Rwandan setting and when compared to an external plasmid. This study highlights the circulation of clinically relevant, pathogenic ESBL-producing E. coli among patients, caregivers and the community in Rwanda. Combining antimicrobial resistance with virulence in addition to the putative exchange of mobile genetic elements among bacterial pathogens poses a significant risk around the world.
Der Naturstoff Splitomicin war als selektiver Inhibitor (der Aktivität) der NAD+- abhängigen Histon-Desacetylase des Sir2-Proteins Ausgangspunkt der Untersuchungen, ist aber an humanen Enzymen inaktiv und aufgrund der im menschlichen Körper zu erwartenden Hydrolyse der Verbindung weder als Arzneistoff noch als Grundgerüst für Analoga geeignet. Da die Stabilität der Verbindung Voraussetzung dafür ist, dass die Verbindungen ihre Wirkung entfalten können, und eine Verschiebung der Selektivität hin zu humanen Enzymen beabsichtigt war, wurde im Rahmen dieser Arbeit Splitomicin zwar als Leitstruktur übernommen aber das heterocyclische Ringsystem auf der Grundlage von Struktur-Aktivitätsbeziehungen modifiziert. Der in Splitomicin enthaltene Sechsring des Pyranons wurde durch einen Fünfring ersetzt. Neben anellierten Imidazolonen wurden Imidazolthione und Chinolinimidazolthione dargestellt, um die Stabilität der Verbindungen gegenüber Hydrolyseeinflüssen zu erhöhen.