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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.
The study aimed to examine the influence of a rotating magnetic field (RMF) of two different frequencies (5 and 50 Hz) on the expression of regulatory (agrA, hld, rot) and staphylococcal enterotoxin (SE—sea, sec, sel) genes as well as the production of SEs (SEA, SEC, SEL) by the Staphylococcus aureus FRI913 strain cultured on a medium supplemented with a subinhibitory concentration of trans-anethole (TA). Furthermore, a theoretical model of interactions between the bacterial medium and bacterial cells exposed to RMF was proposed. Gene expression and SEs production were measured using quantitative real-time PCR and ELISA techniques, respectively. Based on the obtained results, it was found that there were no significant differences in the expression of regulatory and SE genes in bacteria simultaneously cultured on a medium supplemented with TA and exposed to RMF at the same time in comparison to the control (unexposed to TA and RMF). In contrast, when the bacteria were cultured on a medium supplemented with TA but were not exposed to RMF or when they were exposed to RMF of 50 Hz (but not to TA), a significant increase in agrA and sea transcripts as compared to the unexposed control was found. Moreover, the decreased level of sec transcripts in bacteria cultured without TA but exposed to RMF of 50 Hz was also revealed. In turn, a significant increase in SEA and decrease in SEC and SEL production was observed in bacteria cultured on a medium supplemented with TA and simultaneously exposed to RMFs. It can be concluded, that depending on SE and regulatory genes expression as well as production of SEs, the effect exerted by the RMF and TA may be positive (i.e., manifests as the increase in SEs and/or regulatory gene expression of SEs production) or negative (i.e., manifests as the reduction in both aforementioned features) or none.
Fibers and yarns are part of everyday life. So far, fibers that are also used pharmaceutically have mainly been produced by electrospinning. The common use of spinning oils and the excipients they contain, in connection with production by melt extrusion, poses a regulatory challenge for pharmaceutically usable fibers. In this publication, a newly developed small-scale direct-spinning melt extrusion system is described, and the pharmaceutically useful polyvinyl filaments produced with it are characterized. The major parts of the system were newly developed or extensively modified and manufactured cost-effectively within a short time using rapid prototyping (3D printing) from various materials. For example, a stainless-steel spinneret was developed in a splice design for a table-top melt extrusion system that can be used in the pharmaceutical industry. The direct processing of the extruded fibers was made possible by a spinning system developed called Spinning-Rosi, which operates continuously and directly in the extrusion process and eliminates the need for spinning oils. In order to prevent instabilities in the product, further modifications were also made to the process, such as a the moisture encapsulation of the melt extrusion line at certain points, which resulted in a bubble-free extrudate with high tensile strength, even in a melt extrusion line without built-in venting.
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.
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.
In the search for alternative treatment options for infections with multi-resistant germs, traditionally used medicinal plants are currently being examined more intensively. In this study, the antimicrobial and anti-biofilm activities of 14 herbal drugs were investigated. Nine of the tested drugs were traditionally used in Europe for treatment of local infections. For comparison, another five drugs monographed in the European Pharmacopoeia were used. Additionally, the total tannin and flavonoid contents of all tested drugs were analyzed. HPLC fingerprints were recorded to obtain further insights into the components of the extracts. The aim of the study was to identify herbal drugs that might be useable for treatment of infectious diseases, even with multidrug resistant E. coli, and to correlate the antimicrobial activity with the total content of tannins and flavonoids. The agar diffusion test and anti-biofilm assay were used to evaluate the antimicrobial potential of different extracts from the plants. Colorimetric methods (from European Pharmacopeia) were used for determination of total tannins and flavonoids. The direct antimicrobial activity of most of the tested extracts was low to moderate. The anti-biofilm activity was found to be down to 10 µg mL−1 for some extracts. Tannin contents between 2.2% and 10.4% of dry weight and total flavonoid contents between 0.1% and 1.6% were found. Correlation analysis indicates that the antimicrobial and the anti-biofilm activity is significantly (p < 0.05) dependent on tannin content, but not on flavonoid content. The data analysis revealed that tannin-rich herbal drugs inhibit pathogens in different ways. Thus, some of the tested herbal drugs might be useable for local infections with multi-resistant biofilm-forming pathogens. For some of the tested drugs, this is the first report about anti-biofilm activity, as well as total tannin and flavonoid content.
The present study covers the synthesis, purification and evaluation of a novel aminomethacrylate-based copolymer in terms of its suitability for improving the solubility and in vitro release of poorly water-soluble drug compounds. The new copolymer was synthesized by solvent polymerization with radical initiation and by use of a chain transfer agent. Based on its composition, it can be considered as a modified type of dimethylaminoethyl methacrylate-butyl methacrylate-methyl methacrylate “EUDRAGIT® E PO” (ModE). ModE was specifically developed to provide a copolymer with processing and application properties that exceed those of commercially available (co-)polymers in solubility enhancement technologies where possible. By varying the concentration of the chain transfer agent in the radical polymerization process, the molecular weight of ModE was varied in a range of 173–305 kDa. To evaluate the solubility-enhancing properties of ModE, a series of drug-loaded extrudates were prepared by hot melt extrusion using the novel—as well as several commercially available—(co-)polymers. These extrudates were then subjected to comparative tests for amorphousness, solubility-enhancing properties, storage stability, and drug release. Celecoxib, efavirenz, and fenofibrate were used as model drugs in all experiments. Of all the (co-)polymers included in the study, ModE with a molecular weight of 173 kDa showed the best performance in terms of desired properties and was shown to be particularly suitable for preparing amorphous solid dispersions (ASDs) of the three model drugs, which in a first set of dissolution experiments showed better release behavior under pH conditions of the fasting stomach than higher molecular weight ModE types, as well as a variety of commercially available (co-)polymers. Therefore, the results demonstrate the successful synthesis of a new copolymer, which in future studies will be investigated in more detail for universal application in the field of solubility enhancement.
Antimicrobial resistance is an increasing global problem and complicates successful treatments of bacterial infections in animals and humans. We conducted a longitudinal study in Mecklenburg-Western Pomerania to compare the occurrence of ESBL-producing Escherichia (E.) coli in three conventional and four organic pig farms. ESBL-positive E. coli, especially of the CTX-M type, were found in all fattening farms, confirming that antimicrobial resistance is widespread in pig fattening and affects both conventional and organic farms. The percentage of ESBL-positive pens was significantly higher on conventional (55.2%) than on organic farms (44.8%) with similar proportions of ESBL-positive pens on conventional farms (54.3–61.9%) and a wide variation (7.7–84.2%) on organic farms. Metadata suggest that the farms of origin, from which weaner pigs were purchased, had a major influence on the occurrence of ESBL-producing E. coli in the fattening farms. Resistance screening showed that the proportion of pens with multidrug-resistant E. coli was similar on conventional (28.6%) and organic (31.5%) farms. The study shows that ESBL-positive E. coli play a major role in pig production and that urgent action is needed to prevent their spread.
Application of In Vivo Imaging Techniques and Diagnostic Tools in Oral Drug Delivery Research
(2022)
Drug absorption following oral administration is determined by complex and dynamic interactions between gastrointestinal (GI) physiology, the drug, and its formulation. Since many of these interactions are not fully understood, the COST action on “Understanding Gastrointestinal Absorption-related Processes (UNGAP)” was initiated in 2017, with the aim to improve the current comprehension of intestinal drug absorption and foster future developments in this field. In this regard, in vivo techniques used for the characterization of human GI physiology and the intraluminal behavior of orally administered dosage forms in the GI tract are fundamental to gaining deeper mechanistic understanding of the interplay between human GI physiology and drug product performance. In this review, the potential applications, advantages, and limitations of the most important in vivo techniques relevant to oral biopharmaceutics are presented from the perspectives of different research fields.
Abstract
The KV7 potassium channel openers flupirtine and retigabine have been valuable options in the therapy of pain and epilepsy. However, as a result of adverse reactions, both drugs are currently no longer in therapeutic use. The flupirtine‐induced liver injury and the retigabine linked tissue discolouration do not appear related at first glance; nevertheless, both events can be attributed to the triaminoaryl scaffold, which is affected by oxidation leading to elusive reactive quinone diimine or azaquinone diimine metabolites. Since the mechanism of action, i. e. KV7 channel opening, seems not to be involved in toxicity, this study aimed to further develop safer replacements for flupirtine and retigabine. In a ligand‐based design strategy, replacing amino substituents of the triaminoaryl core with alkyl substituents led to carba analogues with improved oxidation resistance and negligible risk of quinoid metabolite formation. In addition to these improved safety features, some of the novel analogues exhibited significantly improved KV7.2/3 channel opening activity, indicated by an up to 13‐fold increase in potency and an efficacy of up to 176 % compared to flupirtine, thus being attractive candidates for further development.
The present study focused on a new formulation approach to improving the solubility of drugs with poor aqueous solubility. A hot melt extrusion (HME) process was applied to prepare drug-loaded solid self-nanoemulsifying drug delivery systems (S-SNEDDS) by co-extrusion of liquid SNEDDS (L-SNEDDS) and different polymeric carriers. Experiments were performed with L-SNEDDS formulations containing celecoxib, efavirenz or fenofibrate as model drugs. A major objective was to identify a polymeric carrier and process parameters that would enable the preparation of stable S-SNEDDS without impairing the release behavior and storage stability of the L-SNEDDS used and, if possible, even improving them further. In addition to commercially available (co)polymers already used in the field of HME, a particular focus was on the evaluation of different variants of a recently developed aminomethacrylate-based copolymer (ModE) that differed in Mw. Immediately after preparation, the L-SNEDDS and S-SNEDDS formulations were tested for amorphicity by differential scanning calorimetry. Furthermore, solubility and dissolution tests were performed. In addition, the storage stability was investigated at 30 °C/65% RH over a period of three and six months, respectively. In all cases, amorphous formulations were obtained and, especially for the model drug celecoxib, S-SNEDDS were developed that maintained the rapid and complete drug release of the underlying L-SNEDDS even over an extended storage period. Overall, the data obtained in this study suggest that the presented S-SNEDDS approach is very promising, provided that drug-loaded L-SNEDDS are co-processed with a suitable polymeric carrier. In the case of celecoxib, the E-173 variant of the novel ModE copolymer proved to be a novel polymeric carrier with great potential for application in S-SNEDDS. The presented approach will, therefore, be pursued in future studies to establish S-SNEDDS as an alternative formulation to other amorphous systems.
Characterization, Chemical Compounds and Biological Activities of Marrubium vulgare L. Essential Oil
(2022)
As consumer trends shift towards more natural and ecological consumption patterns, industrialists are actively working towards substituting synthetic chemicals with natural and vegan products that contain bioactive properties. Thus, considering the shifts in customer demand and the growing concern around vegetable sourced productions, this work aims to contribute to the valorization of aromatic and medicinal Moroccan plants. By focusing on the Marrubium vulgare L. species, our objective is to carry out a physicochemical characterization to determine its chemical composition and biological activities. The volatile fraction collected by hydrodistillation (0.61%) and analyzed by GC-MS (gas chromatography coupled to mass spectrometry) contains five main compounds: 3-Thujanone, Eugenol, Topanol, Menthone and Piperitone. The antioxidant activity has been estimated by applying the DPPH (1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl) free radical scavenging test and the ferric reducing antioxidant power (FRAP). The values of inhibitory concentration prove that our oil is a good antioxidant, with values of IC50 = 1.136 mg/mL and IC50 = 2.998 mg/mL, respectively, for the DPPH and FRAP tests. The results of the antifungal activity indicate a significant inhibition of mycelial growth for both tested molds, as well as a total inhibition of spore production at a concentration of 0.25 µL/mL.
Klebsiella pneumoniae is a common member of the intestinal flora of vertebrates. In addition to opportunistic representatives, hypervirulent (hvKp) and antibiotic-resistant K. pneumoniae (ABR-Kp) occur. While ABR-Kp isolates often cause difficult-to-treat diseases due to limited therapeutic options, hvKp is a pathotype that can infect healthy individuals often leading to recurrent infection. Here, we investigated the clinical K. pneumoniae isolate PBIO3459 obtained from a blood sample, which showed an unusual colony morphology. By combining whole-genome and RNA sequencing with multiple in vitro and in vivo virulence-associated assays, we aimed to define the respective Klebsiella subtype and explore the unusual phenotypic appearance. We demonstrate that PBIO3459 belongs to sequence type (ST)20 and carries no acquired resistance genes, consistent with phenotypic susceptibility tests. In addition, the isolate showed low-level virulence, both at genetic and phenotypic levels. We thus suggest that PBIO3459 is an opportunistic (commensal) K. pneumoniae isolate. Genomic comparison of PBIO3459 with closely related ABR-Kp ST20 isolates revealed that they differed only in resistance genes. Finally, the unusual colony morphology was mainly associated with carbohydrate and amino acid transport and metabolism. In conclusion, our study reveals the characteristics of a Klebsiella sepsis isolate and suggests that opportunistic representatives likely acquire and accumulate antibiotic resistances that subsequently enable their emergence as ABR-Kp pathogens.
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…
Antimicrobial resistance (AMR) is a serious global health threat and extended-spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing Enterobacterales are a major contributor. This study aimed to gain a deeper insight into the AMR burden of wild animals. In total, 1595 fecal samples were collected by two systematic searches in Mecklenburg-Western Pomerania, north-east Germany. Samples were screened for ESBL-carrying Escherichia (E.) coli and isolates found were further analyzed using antimicrobial susceptibility testing and whole-genome sequencing. We found an estimated prevalence of 1.2% ESBL-producing E. coli in wild boar and 1.1% in wild ruminants. CTX-M-1 was the most abundant CTX-M type. We also examined fecal samples from wild boar and wild ruminants using shotgun metagenomics to gain insight into the resistome in wild animals. The latter revealed significantly lower normalized counts for AMR genes in wildlife samples compared to farm animals. The AMR gene levels were lower in wild ruminants than in wild boar. In conclusion, our study revealed a low prevalence of ESBL-producing E. coli and a low overall AMR gene burden in wild boar and wild ruminants, probably due to the secluded location of the search area.
Controlling the time point and site of the release of active ingredients within the gastrointestinal tract after administration of oral delivery systems is still a challenge. In this study, the effect of the combination of small capsules (size 3) and large capsules (size 00) on the disintegration site and time was investigated using magnetic resonance imaging (MRI) in combination with a salivary tracer technique. As capsule shells, Vcaps® HPMC capsules, Vcaps® Plus HPMC capsules, gelatin and DRcaps® designed release capsules were used. The three HPMC-based capsules (Vcaps®, Vcaps® Plus and DRcaps® capsules) were tested as single capsules; furthermore, seven DUOCAP® capsule-in-capsule combinations were tested in a 10-way crossover open-label study in six healthy volunteers. The capsules contained iron oxide and hibiscus tea powder as tracers for visualization in MRI, and two different caffeine species (natural caffeine and 13C3) to follow caffeine release and absorption as measured by salivary levels. Results showed that the timing and location of disintegration in the gastrointestinal tract can be measured and differed when using different combinations of capsule shells. Increased variability among the six subjects was observed in most of the capsule combinations. The lowest variability in gastrointestinal localization of disintegration was observed for the DUOCAP® capsule-in-capsule configuration using a DRcaps® designed release capsule within a DRcaps® designed release outer capsule. In this combination, the inner DRcaps® designed release capsule always opened reliably after reaching the ileum. Thus, this combination enables targeted delivery to the distal small intestine. Among the single capsules tested, Vcaps® Plus HPMC capsules showed the fastest and most consistent disintegration.
Pentathiepins are cyclic polysulfides that exert antiproliferative and cytotoxic activity in cancer cells, induce oxidative stress and apoptosis, and potently inhibit GPx1. These properties render this class of compounds promising candidates for the development of anticancer drugs. However, the biological effects and how they intertwine to promote high cytotoxicity have not been systematically assessed throughout a panel of cancer cell lines from distinct tissues of origin. In this thesis, six novel pentathiepins were analyzed and constitute the second generation of compounds with additional properties such as fluorescence or improved water solubility to facilitate cellular testing. All compounds underwent extensive biological evaluation in 14 human cancer cell lines. These studies included investigations of the inhibitory potential with regards to GPx1 and cell proliferation, examined the cytotoxicity in human cancer cell lines, as well as the induction of oxidative stress and DNA strand breaks. Furthermore, selected hallmarks of apoptosis, ferroptosis, and autophagy were studied. Experimental approaches regarding these cellular mechanisms included observing morphological changes, detecting phosphatidyl serine exposure and caspase activity, and quantifying cleaved PARP1 and levels of LC3B II. In addition, the analysis of the cell cycle aimed to identify aberrations or arrests in cell division.
Five of the six tested pentathiepins proved to be potent inhibitors of the GPx1, while all six exerted high cytotoxic and antiproliferative activity, although to different extents. There was a clear connection observed between the potential to provoke oxidative stress and damage to DNA in the form of single- and double-strand breaks both extra- and intracellularly. Furthermore, various experiments supported apoptosis but not ferroptosis as the mechanism of cell death in four different cell lines. In particular, the externalization of PS, the detection of activated caspases, and the cleavage of PARP1 corroborated this conclusion. Additionally, indications for autophagy were found, but more investigations are required to verify the current data. The findings of this dissertation are mainly in line with the postulated mechanism of action proposed for pentathiepins and a previous publication from our group that described their biological activity. However, the influence of modulators such as oxygen and GSH on the biological effects was ambiguous and dependent on the compound. The expression profile of the cell lines concerning GPx1 and CAT did not influence the cellular response toward the treatment, whereas the cell doubling time correlated with the cytotoxicity.
As the various pentathiepins give rise to different biological responses, modulation of the biological effects depends on the distinct chemical structures fused to the sulfur ring. This may allow for future optimization of the anticancer activity of pentathiepins. An analysis of the structure-activity relationships revealed that the piperazine scaffold was associated with superior biological activity compared to the pyrrolo-pyrazine backbone. Furthermore, substituents with electron-withdrawing properties or those providing a free electron pair, such as fluorine or morpholine, were advantageous. These findings should help design and synthesize the next generation of pentathiepins, thereby expanding the library of compounds, allowing for the further deduction of structure-activity relationships and an improved understanding of their mechanism of action.
In the search for alternative treatment options for infections with multi-resistant germs,
traditionally used medicinal plants are currently being examined more intensively. In this study,
the antimicrobial and anti-biofilm activities of 14 herbal drugs were investigated. Nine of the tested
drugs were traditionally used in Europe for treatment of local infections. For comparison, another
five drugs monographed in the European Pharmacopoeia were used. Additionally, the total tannin
and flavonoid contents of all tested drugs were analyzed. HPLC fingerprints were recorded to ob-
tain further insights into the components of the extracts. The aim of the study was to identify herbal
drugs that might be useable for treatment of infectious diseases, even with multidrug resistant E.
coli, and to correlate the antimicrobial activity with the total content of tannins and flavonoids. The
agar diffusion test and anti-biofilm assay were used to evaluate the antimicrobial potential of dif-
ferent extracts from the plants. Colorimetric methods (from European Pharmacopeia) were used for
determination of total tannins and flavonoids. The direct antimicrobial activity of most of the tested
extracts was low to moderate. The anti-biofilm activity was found to be down to 10 µg mL −1 for
some extracts. Tannin contents between 2.2% and 10.4% of dry weight and total flavonoid contents
between 0.1% and 1.6% were found. Correlation analysis indicates that the antimicrobial and the
anti-biofilm activity is significantly (p < 0.05) dependent on tannin content, but not on flavonoid
content. The data analysis revealed that tannin-rich herbal drugs inhibit pathogens in different
ways. Thus, some of the tested herbal drugs might be useable for local infections with multi-re-
sistant biofilm-forming pathogens. For some of the tested drugs, this is the first report about anti-
biofilm activity, as well as total tannin and flavonoid content.
The investigation of complex molecular systems by molecular dynamics simulations has been successfully established and proven as a standard method during the last decades. The use of highly optimized algorithms and steadily increasing, generally available computing resources enables even larger and longer simulations. However, the dynamics of the system itself is not accelerated, and it can be trapped in low energy minima that can only be overcome slowly. A number of methods have therefore been developed to address this problem.
Within the context of this dissertation, a novel algorithm based on replica exchange was developed to solve problems with existing methods, which can now be used for large molecular systems with a low resource consumption. Parameter dependence was systematically evaluated and optimized to define guidelines for correct application. This algorithm was successfully applied to various pharmaceutical and biochemical problems, such as protein folding or protein-protein interactions.
Revaskularisierende Maßnahmen wie die perkutane transluminale Angioplastie sowie die Stentimplantation zählen heutzutage zu den Standardtherapieverfahren der koronaren Herzkrankheit. Insbesondere die Einführung der mit proliferationshemmenden Wirkstoffen wie Paclitaxel oder Sirolimus beschichteten drug-eluting stents (DES) konnte die Restenoserate der behandelten Gefäße auf unter 10 % senken. Der Erfolg der kardiovaskulären Intervention ist dabei insbesondere auch von der Freisetzungskinetik der Wirkstoffe aus der Polymerbeschichtung der Stents abhängig. Methoden zur Untersuchung des In vitro-Freisetzungsverhaltens sind jedoch weder im Europäischen noch im US-Amerikanischen Arzneibuch monographiert, meist werden aber offizinelle Methoden wie der Eintauchende Halter oder die Durchflusszelle sowie nicht offizinelle, einfache Shake-Flask-Methoden zur Bestimmung der In vitro-Freisetzung verwendet. Dabei bleiben allerdings Besonderheiten von DES wie die Einbettungsbedingungen in das Gewebe der Gefäßwand oder die Flussbedingungen unberücksichtigt. Mit der Einführung der Gefäßsimulierenden Durchflusszelle (vFTC) mit einem Gewebemodell in Form eines Hydrogels als zweitem Akzeptorkompartiment konnten dagegen Parameter wie der Blutfluss, die Verteilung des Wirkstoffes in die Gefäßwand sowie reine Diffusionsprozesse auf der abluminalen Seite der Stents in vitro simuliert werden. Durch Modifikation des Hydrogels mittels hydrophober Zusätze konnte auch bereits ein Einfluss auf die Freisetzung von Modellarzneistoffen aus schnellfreisetzenden Stents gezeigt werden. Ziel dieser Arbeit war es daher, auch für die tatsächlich in DES eingesetzten Arzneistoffe Sirolimus und Paclitaxel Gewebemodelle auf Basis von Hydrogelen zu entwickeln und den Einfluss dieser Gewebemodelle auf die In vitro-Wirkstofffreisetzung in der vFTC zu untersuchen.
Dazu wurden zunächst analytische Methoden zur Quantifizierung der beiden Wirkstoffe entwickelt und validiert. Zur Identifizierung eines geeigneten Freisetzungsmediums wurde anschließend die Stabilität der Wirkstoffe in verschiedenen pufferbasierten und ungepufferten Medien sowie unter Zusatz von stabilisierenden Additiva untersucht. Eine mit Butylhydroxytoluol und Brij® L23 stabilisierte 0,9 %-ige Kochsalzlösung wurde dabei als geeignet identifiziert, die Stabilität der beiden Wirkstoffe über einen Freisetzungszeitraum von fünf Tagen zu gewährleisten.
Auf Basis vorhergehender Arbeiten wurde für die Entwicklung der Gewebemodelle auf ein 2 %-iges Agarosegel als Grundlage zurückgegriffen. Um die Verteilung der Wirkstoffe in das Gewebemodell zu erhöhen, wurden verschiedene Zusätze wie Lecithin, LiChroprep® RP-18, Lipofundin® MCT/LCT 20 %, mittelkettige Triglyceride und Cholesterol zur Hydrophobisierung beigemischt. Außerdem wurden Elastin und bovines Serumalbumin als Zusätze gewählt, um spezifische Bindungen der Wirkstoffe im Gewebe zu simulieren. Zur Untersuchung der Eignung der entwickelten Hydrogele als Gewebemodell wurde der Verteilungskoeffizient zwischen Hydrogel und Wirkstofflösung ermittelt und mit ex vivo ermittelten Literaturwerten zwischen humanem Aortengewebe und einer Wirkstofflösung verglichen. Zusätze von 10 % Lipofundin®, 0,1 % LiChroprep® + 0,02 % Lecithin sowie 0,1 % Lecithin wurden als geeignet befunden, um die Verteilung von Sirolimus in das Gewebe humaner Aorta mit unterschiedlichem Status zu simulieren und wiesen zudem eine ausreichende Stabilität für Freisetzungsuntersuchungen in der vFTC über einen Zeitraum von fünf Tagen auf.
Die Untersuchung des Einflusses dieser drei Gewebemodelle als Hydrogelkompartiment auf die Wirkstofffreisetzung aus DES in der vFTC wurde mit Sirolimus-beschichteten Stents mit Poly-L-Milchsäure als Beschichtungspolymer über 120 h durchgeführt. Zum Vergleich wurde zusätzlich die Wirkstofffreisetzung in einer einfachen Shake-Flask-Methode sowie in der Durchflusszelle ohne Hydrogelkompartiment beziehungsweise mit einem Agarosegel ohne Zusätze bestimmt. Es konnte ein triphasisches Freisetzungsverhalten mit biphasischem, jeweils nach einer Kinetik 1. Ordnung ablaufenden burst release von 30 - 40 % des Wirkstoffes innerhalb der ersten 12 h sowie nachfolgender langsamer Diffusionsphase beobachtet werden. Ein Vergleich der unterschiedlichen Freisetzungs-methoden zeigte eine langsamere Freisetzung unter Verwendung der Durchflusszelle sowie eine weitere Verringerung des in das Medium freigesetzten Wirkstoffanteils durch die Einführung eines zweiten Akzeptorkompartiments in der vFTC. Statistisch signifikante Unterschiede wurden aber vorrangig in der Verteilung des Wirkstoffes zwischen den Kompartimenten gesehen. So führte die Verwendung von 10 % Lipofundin als Zusatz zu einer Erhöhung des Anteils an Sirolimus im Gewebemodell von etwa 1 % auf fast 14 % der Gesamtfreisetzung nach fünf Tagen (p < 0,05). Im Gegensatz zu vorherigen Untersuchungen mit Modellarzneistoffen ist es für den tatsächlich in DES eingesetzten Wirkstoff Sirolimus also gelungen, ein Gewebemodell mit ausreichend hohem Verteilungskoeffizienten zu entwickeln, mit dem signifikante Unterschiede in der Verteilung zwischen den verschiedenen Kompartimenten der vFTC ermittelt werden konnten. In vitro-Wirkstofffreisetzungsuntersuchungen aus DES mittels der vFTC können somit durch die Verwendung von Gewebemodellen mit einem den In vivo-Bedingungen angepassten Verteilungskoeffizienten für die betreffenden Wirkstoffe eine noch bessere Abschätzung der In vivo-Verteilung eines aus DES freigesetzten Wirkstoffes in die Arterienwand leisten. Auch für biorelevante In vitro-Wirkstofffreisetzungsuntersuchungen aus anderen Implantaten können die in dieser Arbeit entwickelten Gewebemodelle möglicherweise einen wertvollen Beitrag leisten.
Erkrankungen der Speiseröhre waren in der Vergangenheit ein wenig beachteter Themenkomplex in der Forschung und Entwicklung neuartiger Therapieoptionen. Die Behandlung von Erkrankungen wurde in der Regel systemisch oder chirurgisch durchgeführt. Trotz eines geringeren Risikos für unerwünschte Arzneimittelwirkungen im Vergleich zur systemischen Therapie wurde der Ösophagus bisher kaum als Target zur Medikamentenapplikation in Betracht gezogen. Durch die besonders kurze Transitzeit stellt die Speiseröhre einen sehr anspruchsvollen Applikationsort für die Entwicklung lokal wirksamer Darreichungsformen dar. Zur effektiven Therapie von Tumorerkrankungen, Pilzinfektionen, Motilitätsstörungen oder durch Reflux verursachte Schädigungen im Bereich der Speiseröhre wäre beispielsweise eine lokale Arzneimitteltherapie mit niedrig dosierten Wirkstoffen in mukoadhäsiven Darreichungsformen wünschenswert.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiges System zur gezielten lokalen und langanhaltenden Applikation von mukoadhäsiven Filmen in der Speiseröhre entwickelt und charakterisiert. Das dabei entstandene EsoCap-System besteht aus einem aufgerollten Film, der an einem Faden befestigt und in einer geschlitzten Kapsel positioniert ist. Bei der Einnahme der EsoCap mit einem eigens entwickelten Applikationssystem wird der Mechanismus zum Entrollen des Filmes ausgelöst. Durch den Schluckvorgang wird der Film in der Speiseröhre entrollt und haftet aufgrund der mukoadhäsiven Eigenschaften an der Mukosa des Patienten.
Die Funktionalität des Systems konnte in einer Studie mit zwölf gesunden Probanden gezeigt werden. Bei insgesamt 72 durchgeführten Applikationen konnte in 71 Fällen eine erfolgreiche Platzierung des mukoadhäsiven Filmes in der Speiseröhre nachgewiesen werden. Die korrekte Platzierung des Filmes wurde anhand eines neu entwickelten und kontrastierenden Filmes mittels MRT nachgewiesen. Zur standardisierten Evaluation der Akzeptanz wurde ein spezifisch auf die Eigenschaften und Besonderheiten des EsoCap-Systems angepasster Fragebogen entwickelt. Auch die prinzipielle Funktionalität des Systems konnten durch die Studie mit gesunden Probanden, nachgewiesen werden. Das modifizierte EsoCap-System, welches zusätzlich mit einem Sinker zur Erhöhung der Dichte versehen wurde, zeigte in der Befragung eine subjektiv bessere Schluckbarkeit. Zudem konnte ein bereits in der Literatur beschriebener Lern- und Trainingseffekt bei der Einnahme von oralen Darreichungsformen auch beim EsoCap-System beobachtet werden.
Neben der vorteilhaften Erhöhung der Dichte des Systems könnte die Verwendung kleinerer Kapseln (z. B. Größe 0) und die Verwendung eines schnell wasserlöslichen Retainers zum Auslösen des Systems mit einer Steigerung der Akzeptanz korreliert sein. Die Verwendung von kleineren Kapseln sollte durch die Verwendung von, im Vergleich zur MRT-Kontrastierung, dünneren, für die lokale Wirkstoffapplikation genügenden Filme möglich sein. Die Akzeptanz und die Überlegenheit des neuartigen Systems im Patienten sind in klinischen Studien zu beweisen. Zudem ist ein Verfahren zur automatisierten Herstellung des sehr komplexen und bisher vollständig manuell gefertigten Systems zu etablieren.
Neben der Filmdicke haben sowohl die verwendeten Polymere als auch die Wirkstoffbeladung einen Einfluss auf die Charakteristik der verwendeten Filme. Eine Möglichkeit die Funktionalität von Filmen In vivo besser vorherzusagen, besteht in der Verwendung biorelevanter In vitro-Testsysteme. Aus diesem Grunde wurde der EsoPeriDiss, ein neuartiges und biorelevantes In vitro-Testsystem zur Charakterisierung ösophageal applizierter Darreichungsformen entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass mittels des EsoPeriDiss erste Erkenntnisse hinsichtlich des Freisetzungsverhaltens und der Verweildauer von Filmen in der Speiseröhre bei simulierter Speichelflussrate, simulierter Peristaltik sowie bei verschiedenen simulierten Ausrichtungen des Patienten gewonnen werden können.
Durch Variation der Pumpleistung war die Speichelflussrate flexibel steuerbar und ermöglichte, wie auch das modulare Walzensystem, die Simulation verschiedener Einnahmebedingungen. So können Konfigurationen mit niedriger Intensität zur Simulation der nächtlichen Einnahme, aber auch hochintensive Konfigurationen zur Simulation der Einnahme mit Nahrung am Tage zusammengestellt werden. Durch die Ergänzung einer Positionsanpassung war es möglich, sowohl eine waagerechte als auch senkrechte Speiseröhre zu simulieren. Die Simulation von ausgewählten physiologischen Parametern und die In vitro-Charakterisierung verschiedener Darreichungsformen ermöglichten ein besseres Verständnis über die Verhältnisse und Beschaffenheiten von esophageal applizierten Darreichungsformen. Die Zusammenstellung von physiologischen Konfigurationen oder die Übertragung von In vivo-Daten von Patienten auf das System, ergeben für die neuartige modulare Testplattform eine Vielzahl interessanter Möglichkeiten zur Charakterisierung von ösophageal applizierbaren Darreichungsformen. Somit konnte gezeigt werden, dass das modular aufgebaute neue System zahlreiche Möglichkeiten für biorelevante Freisetzungsuntersuchungen bietet.
Das EsoCap-System stellt eine neuartige, innovative und hochvariable Plattformtechnologie dar, die die Applikation von mukoadhäsiven Polymerfilmen in der Speiseröhre ermöglicht. Durch Anpassung der Plattform, beispielsweise durch Verwendung verschiedener wirkstoffbeladener Filme könnte das System neue Möglichkeiten in der Therapie von bisher nur unzureichend therapierbaren Krankheiten der Speiseröhre eröffnen. Die Erkenntnisse aus der In vivo-Studie und den In vitro-Untersuchungen geben Anlass zur Hoffnung hinsichtlich einer In vivo verlängerten lokalen Verweildauer von Filmen in der Speiseröhre, die besondere Bedeutung für die Effektivität einer Therapie hat. Das EsoCap-System hat aus vielerlei Hinsicht das Potenzial eine Durchbruchsinnovation im Bereich der Therapie von Erkrankungen der Speiseröhre darzustellen. Durch diese innovative Applikationsmöglichkeit begünstigt, könnte insbesondere das Screening nach hochaktiven und spezifisch in der Speiseröhre wirkenden Wirkstoffen zusätzlich vorangetrieben werden.
Hypoxia is common in marine environments and a major stressor for marine organisms inhabiting benthic and intertidal zones. Several studies have explored the responses of these organisms to hypoxic stress at the whole organism level with a focus on energy metabolism and mitochondrial response, but the instrinsic mitochondrial responses that support the organelle’s function under hypoxia and reoxygenation (H/R) stress are not well understood. We studied the effects of acute H/R stress (10 min anoxia followed by 15 min reoxygenation) on mitochondrial respiration, production of reactive oxygen species (ROS) and posttranslational modifications (PTM) of the proteome in a marine facultative anaerobe, the blue mussel Mytilus edulis. The mussels’ mitochondria showed increased OXPHOS respiration and suppressed proton leak resulting in a higher coupling efficiency after H/R stress. ROS production decreased in both the resting (LEAK) and phosphorylating (OXPHOS) state indicating that M. edulis was able to prevent oxidative stress and mitochondrial damage during reoxygenation. Hypoxia did not lead to rearrangement of the mitochondrial supercomplexes but impacted the mitochondrial phosphoproteome including the proteins involved in OXPHOS, amino acid- and fatty acid catabolism, and protein quality control. This study indicates that mussels’ mitochondria possess intrinsic mechanisms (including regulation via reversible protein phosphorylation) that ensure high respiratory flux and mitigate oxidative damage during H/R stress and contribute to the hypoxia-tolerant mitochondrial phenotype of this metabolically plastic species.
Der Sepsis sowie einer Reihe von Autoimmunerkrankungen wie Multipler Sklerose und Diabetes mellitus Typ 1 ist, ebenso wie zahlreichen weiteren Krankheitsbildern, gemein, dass für diese eine Beteiligung der induzierbaren Stickstoffmonoxid-Synthase (iNOS) an deren Pathogenese durch exzessive Freisetzung von Stickstoffmonoxid bewiesen ist bzw. diskutiert wird. Die Auffindung von effektiven und selektiven Inhibitoren der iNOS stellt einen möglichen, erfolgversprechenden Ansatz dar, zumindest die Symptomatik dieser Erkrankungen positiv zu beeinflussen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten neue Wirkstoffe als potentielle Inhibitoren der iNOS zugänglich gemacht und auf ihre Aktivität getestet werden. Ein wesentlicher Ansatzpunkt für das Wirkstoff-Design ist die strukturelle Modifikation des natürlichen Substrats der iNOS, der Aminosäure Arginin. Ein bekannter Arginin analoge Hemmstoff der iNOS ist Aminoguanidin. Das Konzept der vorliegenden Arbeit zur strukturellen Abwandlung dieses Moleküls beinhaltete dessen Integration in ein heterobicyclisches System, mit dem Ziel, die Flexibilität der Aminoguanidin-Struktur herabzusetzen, um somit die Hemmwirkung und die iNOS-Spezifität zu verbessern. Die bisher wenig erschlossene Verbindungsklasse der [1,2,4]Triazolo[1,2-a]pyridazine erschien sehr gut geeignet, dieses Konzept zu realisieren. So wurden verschieden substituierte Vertreter dieses Grundkörpers als Analoga zu Aminoguanidin dargestellt. Als Hauptsyntheseroute wurde die Darstellung von Hexahydro[1,2,4]triazolo[1,2-a]pyridazinen über Ringschluss von Hexadyro-1-carbothioamid mit Aldehyden / Ketonen verfolgt. Anschließend wurden diese durch S-Methylierung mit Iodmethan zu 1-Methylsulfanyl-5,6,7,8-tetrahydro-3H-[1,2,4]triazolo[1,2-a]pyridazinen umgesetzt und schließlich mittels S-N-Austausch Tetrahydro-3H-[1,2,4]triazolo[1,2-a]pyridazin-1-amine dargestellt. Die erhaltenen Vertreter der Zielverbindungen aller Synthesestufen wurden auf ihre Aktivität gegenüber der induzierbaren Stickstoffmonoxid-Synthase und mögliche zytotoxische Effekte mittels eines Zellkultur-Modells getestet. Im Ergebnis der chemisch-synthetischen und strukturanalytischen Arbeiten wurde eine Vielzahl von Verbindungen mit [1,2,4]Triazolo[1,2-a]pyridazin-Struktur einschließlich entsprechender Vorstufen neu- bzw. resynthetisiert. Alle Verbindungen wurden umfassend strukturanalytisch charakterisiert. So war es möglich eine umfangreiche Substanzbibliothek mit diversen Substitutionsmustern zu generieren, welche für die Überprüfung der generellen Eignung von Abkömmlingen des [1,2,4]Triazolo[1,2-a]pyridazins als Inhibitoren der induzierbaren NO-Synthase genutzt werden konnte. Für diese biologischen Untersuchungen zur Inhibition der induzierbaren NO-Synthase (iNOS) durch die synthetisierten Titelverbindungen wurde ein optimiertes Zellkultur-Testverfahren unter Verwendung der Ratten-Insulinom Zelllinie RINm5F für den Arbeitskreis etabliert. Diese wurden mit den proinflammatorischen Zytokinen Interleukin-1β und Interferon-γ zur Expression von induzierbarer NO-Synthase stimuliert. Nach der Inkubation mit den potentiellen Hemmstoffen wurde die verbleibende NO-Produktion der Zellen durch Ermittlung der Nitritkonzentration im Überstand bestimmt. Anschließend wurde an den bereits behandelten Zellen auf mögliche Zytotoxizität der Substanzen durch einen MTT-Assay getestet. Mit diesem Verfahren wurden eine Reihe der Titelverbindungen bezüglich ihrer iNOS-hemmenden und zytotoxischen Eigenschaften untersucht. Davon inhibierten etliche in Position 3 unterschiedlich substituierte [1,2,4]Triazolo[1,2-a]pyridazin-1-thione dem Aminoguanidin vergleichbar oder stärker die NO-Produktion der iNOS bei nur geringem, zytotoxischem Effekt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, die Verbindungsklasse der [1,2,4]Triazolo[1,2-a]pyridazine mit einer breiter Palette von Derivaten synthetisch zu erschließen und eine iNOS-inhibierende Wirkung für eine Anzahl von Vertretern zu belegen.
The objectives of this study were to ascertain the fecal ESBL/AmpC-E. coli prevalence and to detect risk factors for their occurrence in young pre-weaned calves and their dams on large dairy farms in Germany. From 2018–2019 we investigated 2816 individual fecal samples from pre-weaned dairy calves and their dams, representing seventy-two farms (mean = 667 milking cows) from eight German federal states. To assess possible risk factors associated with ESBL/AmpC-E. coli prevalence in calves and dams, a questionnaire was performed, collecting management data. We observed an ESBL/AmpC-E. coli prevalence of 63.5% (95% CI: 57.4–69.5) among the sampled calves and 18.0% (95% CI: 12.5–23.5) among the dams. On all farms, at least one positive sample was obtained. To date, this is the highest ESBL/AmpC-E. coli prevalence observed in dairy herds in Europe. Feeding with waste milk was identified as a significant risk factor for a high prevalence of ESBL/AmpC-E. coli in calves. Many calves at large dairies in Germany are fed with waste milk due to the large amounts generated as a result of antibiotic dry-off routines and mastitis treatment with antibiotics. Other notable risk factors for high ESBL/AmpC-E. coli in calves were the general fitness/health of dams and calves, and the quality of farm hygiene. Taken together, these findings suggest that new or improved approaches to animal health management, for example, antibiotic dry cow management (selective dry cow therapy) and mastitis treatment (high self-recovery), as well as farm hygiene, should be researched and implemented.
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.
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.
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.
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.
Anwendung additiver Fertigungstechniken zur Herstellung und Applikation oraler Darreichungsformen
(2021)
Der 3D-Druck hat in den vergangenen Jahren einen enormen Interessenzuwachs erzeugt. Aufgrund der einfachen Zugänglichkeit und Bedienbarkeit und aufgrund seiner enormen Möglichkeiten als additive Fertigungstechnologie ist das große Potenzial dieser Technologie auch im pharmazeutischen Bereich nicht verborgen geblieben. Daraus hat sich ein Hype ergeben, welcher 2015 sogar in der Zulassung des ersten 3D-gedruckten Fertigarzneimittels Spritam® durch die FDA resultierte. Jedoch ist dieses Präparates gleichzeitig auch ein gutes Beispiel für die Limitationen des 3D-Druckes. Die Herstellung einer 3D-gedruckten Spritam®-Tablette kostet ein Vielfaches im Vergleich zur Herstellung mit konventioneller Tablettierung. Daraus ergibt sich fast schon zwangsläufig, dass der 3D-Druck sich nicht als Technologie zu Herstellung klassischer oraler Darreichungsformen eignet. Seine Möglichkeiten liegen viel mehr im Gebiet der Individualisierung von Arzneiformen und der Entwicklung von Arzneiformen und Medizinprodukten. Hier kann das Potenzial dieser Technologie wesentlich effizienter ausgeschöpft werden. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, den 3D-Druck zu nutzen, um innovative und individualisierbare Darreichungsformen zu entwickeln. Außerdem sollte mittels 3D-Druck eine Applikationshilfe für eine innovative Darreichungsform entwickelt werden. Auch die Herstellung von Minitabletten für die pädiatrische Anwendung wurde untersucht.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass der 3D-Druck vielfältige Anwendung in der Pharmazie finden kann. So konnten unter Nutzung des 3D-Druckes lebensmittelechte Applikatoren hergestellt werden, die die In vivo-Testung der innovativen Darreichungsform EsoCap erst ermöglichte und so im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die prinzipielle Funktionalität dieser Darreichungsform zeigte. Dabei bietet der 3D-Druck im Rapid Prototyping den Vorteil, dass es sich um eine vergleichsweise günstige und schnell zu realisierende Technik handelt. Weiterhin bieten die leichte Bedienbarkeit, die realisierbare Formenvielfalt, eine Vielzahl zur Verfügung stehender Filamente mit unterschiedlichsten Eigenschaften und der niederschwellige Zugang zu dieser Technologie auch Personen ohne entsprechenden Hintergrund die Möglichkeit zur Prototypenentwicklung. Dies ermöglicht eine schnelle und angepasste Entwicklung ohne weitere Beteiligung externer Institute oder Dienstleiter. Darüber hinaus kann der 3D-Druck auch Anwendung in der Modifizierung von Freisetzungstestern finden oder zur Ersatzteilproduktion dienen. Auch zur Herstellung von Darreichungsformen mit neuartigen Freisetzungsmechanismen kann der 3D-Druck genutzt werden. Dabei zeigte sich in der durchgeführten In vivo-Studie an Hunden, dass eine prinzipielle Herstellung mittels 3D-Druck möglich ist, aber auch Limitationen, speziell des FDM-basierten 3D-Druckes, aufweist. So zeigte sich eine mangelnde Reproduzierbarkeit bei der Herstellung der drucksensitiven Arzneiform, die wahrscheinlich dazu führte, dass bei der Hälfte der Applikationen bei den Versuchstieren die Kapsel nicht durch die physiologischen Kräfte zerstört wurde und so keinen Wirkstoff freisetzte. Hierbei bleibt anzumerken, dass durch Nutzung alternativer additiver Herstellungsverfahren im Rahmen weiterer Untersuchungen diese Problematik weiter erforscht werden kann. Nichtsdestotrotz ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung von Darreichungsformen mit neuartigen Freisetzungsmechanismen, die mittels konventionellen Herstellungstechniken schwer beziehungsweise gar nicht hergestellt werden können. Im letzten Punkt dieser Arbeit wurde der 3D-Druck als alternatives Herstellungsverfahren für pädiatrische Arzneimittel untersucht. Dazu wurden Minitabletten mit unterschiedlichen Durchmessern unter Variation der Wirkstoffe und Polymere hergestellt. Dabei zeigte sich, dass der 3D-Druck sowohl die Möglichkeit bietet, über die Variation der Anzahl applizierter Minitabletten als auch über die Variation der Größe eine Dosisindividualisierung vorzunehmen. Die so hergestellten Arzneimittel entsprachen dabei auch den Vorgaben des europäischen Arzneibuches hinsichtlich der Massegleichförmigkeit. Damit konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von Minitabletten mittels 3D-Druck eine Alternative zu der konventionellen Kapselherstellung darstellt. Dabei bleibt anzumerken, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um weitere, im Bereich der Pädiatrie eingesetzten Arzneistoffe auf ihre Eignung für die Schmelzextrusion und den 3D-Druck zu untersuchen.
Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die Verwendung additiver Herstellungsverfahren wie der FDM-basierte 3D-Druck in der Pharmazie auf unterschiedlichste Weise Anwendung finden kann. So können zum einen schnell, einfach und auch kostengünstig Prototypen und auch Ersatzteile hergestellt werden. Dieser Aspekt und die Tatsache, dass auch ohne umfangreiche Schulungen der 3D-Druck nutzbar ist, zeigen auf, dass der 3D-Druck ein nützliches Werkzeug im Bereich des Rapid Prototypings von Applikationshilfen, aber auch im Bereich der Entwicklung von biorelevanten Testmodellen darstellt. Auch können durch die Nutzung des 3D-Druckes neuartige, innovative Freisetzungssysteme hergestellt und getestet werden. Darüber hinaus schaffen additive Fertigungstechniken weiterhin die Möglichkeit, mögliche Alternativen im Bereich der Herstellung pädiatrischer Arzneimittel herzustellen.
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.
Previous research identified veterinary clinics as hotspots with respect to accumulation and spread of multidrug resistant extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli (EC). Therefore, promoting the prudent use of antibiotics to decrease selective pressure in that particular clinical environment is preferable to enhance biosecurity for animal patients and hospital staff. Accordingly, this study comparatively investigated the impact of two distinct perioperative antibiotic prophylaxis (PAP) regimens (short-term versus prolonged) on ESBL-EC carriage of horses subjected to colic surgery. While all horses received a combination of penicillin/gentamicin (P/G) as PAP, they were assigned to either the “single-shot group” (SSG) or the conventional “5-day group” (5DG). Fecal samples collected on arrival (t0), on the 3rd (t1) and on the 10th day after surgery (t2) were screened for ESBL-EC. All isolates were further investigated using whole genome sequences. In total, 81 of 98 horses met the inclusion criteria for this study. ESBL-EC identified in samples available at t0, t1 and t2 were 4.8% (SSG) and 9.7% (5DG), 37% (SSG) and 47.2% (5DG) as well as 55.6% (SSG) and 56.8% (5DG), respectively. Regardless of the P/G PAP regimen, horses were 9.12 times (95% CI 2.79–29.7) more likely to carry ESBL-EC at t1 compared to t0 (p < 0.001) and 15.64 times (95% CI 4.57–53.55) more likely to carry ESBL-EC at t2 compared to t0 (p < 0.001). ESBL-EC belonging to sequence type (ST) 10, ST86, ST641, and ST410 were the most prevalent lineages, with blaCTX–M–1 (60%) being the dominant ESBL gene. A close spatio-temporal relationship between isolates sharing a particular ST was revealed by genome analysis, strongly indicating local spread. Consequently, hospitalization itself has a strong impact on ESBL-EC isolation rates in horses, possibly masking differences between distinct PAP regimens. The results of this study reveal accumulation and spread of multi-drug resistant ESBL-EC among horses subjected to colic surgery with different P/G PAP regimens, challenging the local hygiene management system and work-place safety of veterinary staff. Moreover, the predominance of particular ESBL-EC lineages in clinics providing health care for horses needs further investigation.
Crab Spa, is a stable diffuse-flow hydrothermal vent site located at the 9°N hydrothermal vent field on the East Pacific Rise (EPR). Remarkably, the physicochemical conditions at Crab Spa have remained largely constant since its discovery in 2007 providing a uniquely stable environment in which a well-adapted and stable microbial community has evolved. This microbial community is dominated by the class Campylobacteria, accounting for up to 90% of the community. Little is known, however, about the metabolic pathways that allow the Campylobacteria to dominate the bacterial community at Crab Spa. To address this fundamental question, a two-pronged approach was taken consisting of first determining the dominant metabolic pathways in situ, and second to study those same metabolic pathways and their controls in more detail under defined conditions in vitro in the model campylobacterium Sulfurimonas denitrificans.
Metagenomic analysis of two environmental samples provided the blueprint to determine the metaproteomic profile of the Crab Spa microbial community. This allowed to identify the dominant organisms and their major metabolic pathways sustaining the microbial community at Crab Spa. About 90% of the genes for transcription and protein synthesis of the metagenome sequences belonged to just three genera of Campylobacteria: Sulfurimonas, Sulfurovum and Arcobacter. The metaproteomic analyses confirmed that the active microbial community was dominated by Campylobacteria, carrying out carbon fixation via the reductive TCA cycle predominantly fueled by the oxidation of sulfide and sulfur with nitrate and oxygen. The analysis further revealed that pathways might be partioned between different members of the bacterial community. Proteins involved in electron acceptor–related pathways, in particular denitrification, accounted for up to 20% of the whole metaproteome, which could be seen as an adaptation to the scarcity of electron acceptors at Crab Spa. Conversely, proteins related to electron donor–associated metabolic pathways accounted for less than 0.1% of the metaproteome, possibly in response to the high concentration of the electron donor. To follow up on this hypothesis, chemostat experiments with S. denitrificans were performed under either electron-acceptor or -donor limitation. These experiments confirmed that electron-acceptor limitation lead to the elevated expression of electron-acceptor proteins. However, a higher expression of electron-donor proteins was not observed under electron-donor limitation. Besides hydrogen sulfide, elemental sulfur has the potential to serve as an important electron donor at Crab Spa. However, up to know no information was available on how Campylobacteria might be able to utilize elemental sulfur. For this, S. denitrificans grew with either thiosulfate or cyclooctasulfur (S8) as sole electron donors and its transcriptome and proteome was compared. The results revealed a differential expression of the SOX sulfur oxidation pathway (soxCDYZ and soxABXYZ) in response to the two different sulfur compounds. Based on these findings, a model for the oxidation of cylcooctasulfur was proposed that also applies to other sulfur-oxidizing Campylobacteria and helps in the interpretation of environmental metatranscriptomic and –proteomic data (Götz, Pjevac, et al., 2018; Lahme et al., 2020). The presented results help to better understand the microbial processes at hydrothermal vents.
Für die orale Pharmakotherapie stellen die gastrointestinalen Flüssigkeiten einen der relevantesten Einflussfaktoren dar, da es sich bei ihnen um das Medium für Zerfallsprozesse der Arzneiform und zur Auflösung des Arzneistoffs handelt. Neben den physikochemischen Eigenschaften wie dem pH-Wert ist es vor allem auch die vorliegende Medienmenge, die für die konzentrationsabhängigen Auflösungs- und Absorptionsprozesse oraler Arzneistoffe von entscheidender Bedeutung ist. Auch der Transport der Flüssigkeiten im Gastrointestinaltrakt ist aufgrund des Cotransports von Arzneiform und Arzneistoff für das Anflutungsverhalten oral eingenommener Arzneimittel relevant. Insbesondere die Magenentleerung stellt hier bekanntermaßen einen essenziellen Parameter dar. Das Wissen zu welchem Zeitpunkt, an welchem Ort im Gastrointestinaltrakt, welches Volumen mit den bestimmten Eigenschaften vorliegt ist aber in vielen Fällen nur relevant, wenn man zum selben Zeitpunkt auch die Position und das Zerfalls- oder Freisetzungsverhalten der oralen Arzneiform kennt. Das Verhalten oraler Arzneiformen in vivo kann sich unter Umständen deutlich von dem Verhalten in vitro unterscheiden. Zudem sind die Transitbedingungen im Gastrointestinaltrakt vielfältigen Abhängigkeiten, sowie Schwankungen unterworfen und unterliegen daher einer relevanten Variabilität. Die Verbindung der Untersuchungen von gastrointestinalen Flüssigkeitsmengen und ihren Verteilungskinetiken zusammen mit der Untersuchung von Transit, Freisetzung und Zerfall oraler Arzneiformen ist umfangreich und komplex, daher wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Einzelfragestellungen zu dem übergeordneten Themenbereich bearbeitet.
So wurden relevante Aspekte der Interaktionen von gastrointestinalen Volumina, dem Transport und oral verabreichten Arzneimitteln durch Mitarbeit an einem Review umfassend ausgearbeitet und einige unzureichend geklärte Zusammenhänge identifiziert. Zusätzlich wurden verschiedene in vivo Studien unter Zuhilfenahme der MRT Bildgebung durchgeführt. Um die Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit sicherzustellen, entsprachen die Protokolle und Designs dieser Studien weitgehend den Bedingungen Klinischer Studien der Phase I.
Eine wichtige Fragestellung im Bereich der oralen Biopharmazie ist dabei immer die Interaktion mit Nahrung. So wurde in der ersten Studie die spezifische Nahrungsmittel-interaktion mit Grapefruitsaft untersucht. So weisen viele oral verabreichte Arzneistoffe gleichgerichtete Effekte nach Einnahme von Nahrung und nach Einnahme von Grapefruitsaft auf, sodass neben der bekannten Enzym- und Transporterwirkung des Grapefruitsaftes auch ein Volumeneinfluss vermutet wurde. Für einige Arzneimittel ist dieser Volumeneffekt möglicherwiese sogar maßgeblich. In der durchgeführten Studie wurden jeweils 240 mL Grapefruitsaft, isokalorische Fruktose- und Glukoselösung, sowie Wasser von 6 Probanden eingenommen und die gastrointestinalen Volumina über mehr als 90 min quantifiziert. Neben einer verlangsamten Magenentleerung ergab sich durch den Grapefruitsaft dabei vor allem ein vergrößertes Flüssigkeitsvolumen im Dünndarm. So war 80 min nach Einnahme des Grapefruitsafts das Dünndarmvolumen im Mittel doppelt so hoch wie nach Einnahme von Wasser. Die Verlangsamung der Magenentleerung des Grapefruitsafts war dabei vor allem durch Glukose vermittelt, während die Veränderungen im Dünndarmvolumen vor allem auf den Fruktosegehalt zurückzuführen sind. Insbesondere die Volumenvergrößerung kann über den Effekt auf die Arzneistoffkonzentration sowohl zu verbesserter als auch verschlechterter Bioverfügbarkeit führen. Auflösungsprozesse insbesondere von BCS II Stoffen werden zwar verbessert, die Absorption von BCS III Stoffen wird durch den verringerten Konzentrationsgradienten allerdings verschlechtert. Sowohl die positiven als auch die negativen Effekte von Grapefruitsaft auf die Bioverfügbarkeit verschiedener Arzneistoffe können demnach auch kalorische Effekte der enthaltenen Kohlenhydrate sein und lassen sich damit auch auf andere Fruchtsäfte übertragen. Inwieweit insbesondere intestinale Volumina wirklich eine relevante Rolle für die Arzneistoffabsorption spielen bleibt jedoch unklar.
Ein weiteres ausgesprochen relevantes Phänomen bei der postprandialen Arzneimitteleinnahme stellt die Magenstraße dar, die eine schnelle Wasserentleerung am Speisebrei vorbei beschreibt und auch Arzneistoffe aus dem Magen mitreißen kann. In einer weiteren Studie wurde daher die Entleerung von 240 mL Wasser nach Einnahme verschiedener Mahlzeiten mit der Wasserentleerung im nüchternen Zustand verglichen. Bei den Mahlzeiten handelte es sich um ein feststoffbasiertes fettreiches Standardfrühstück, ein feststoffbasiertes fettarmes leichtes Frühstück und eine homogene fettreiche Cremespeise mit je 500 kcal. Der ursprünglich vermutete Zusammenhang zwischen Fettgehalt und Auftreten der Magenstraße konnte widerlegt werden. Bei beiden festen Mahlzeiten kam es unabhängig vom Fettgehalt und im Gegensatz zur fettreichen Cremespeise auch 60 min nach der ersten Wassergabe zu einer ausgeprägten Magenstraße. Dieses Auftreten zu späteren Zeitpunkten nach Nahrungseinnahme ist so relevant, da es durch das Ausspülen von Arzneistoff aus dem postprandialen Magen Dose Dumping-ähnliche Effekte herbeiführen kann. Dies geschieht nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit, was zu einer kritischen Erhöhung der Variabilität im Real Life, aber auch in Studien führt. Dieser Effekt ließe sich auch für die schnelle Anflutung im postprandialen Zustand zum Beispiel mithilfe von Arzneistofflösungen ausnutzen. Für klinische Studien erscheint vor allem die Standardisierung und Dokumentation der Flüssigkeitsgabe über längere Zeiträume als bisher zur Vermeidung unerwünschter Variabilitäten essenziell.
Die Variabilität der Volumina und ihrer Transportvorgänge stellt bekanntermaßen eine Quelle für die pharmakokinetische Variabilität dar und sollte daher ebenfalls charakterisiert werden. Dazu wurden die pseudonymisierten Daten eigens durchgeführter und vergleichbarer Studien gepoolt und die nüchternen Residualvolumina des Magens, sowie die Entleerung von 240 mL Wasser nach nüchterner Applikation untersucht. Dabei wurde die interindividuelle Variabilität zwischen Probanden mit der intraindividuellen Variabilität einzelner Probanden verglichen. Die Magenentleerung stellt unbestritten einen Kernparameter dar und die Menge des Residualvolumens bestimmt maßgeblich die physikochemischen Eigenschaften des Freisetzungsmediums nach nüchterner Applikation. Selbst unter den hochstandardisierten Bedingungen klinischer Studien mit 10 stündigem Fasten über Nacht, ergaben sich dabei deutliche Unterschiede im nüchternen Residualvolumen des Magens. Im interindividuellen Mittel innerhalb der Studienkollektive betrug das nüchterne Residualvolumen 49 ± 19 mL mit einer Spannbreite von 17 mL bis 93 mL. Dies unterschied sich kaum vom intraindividuellen Mittel innerhalb der wiederholten Messungen eines Probanden mit 44 ± 18 mL und einer Spannbreite von 22 mL bis 77 mL. Auch die Magenentleerung war sowohl interindividuell als auch intraindividuell vergleichbaren Schwankungen unterworfen. So stellte sich sowohl bei den nüchternen Residualvolumen als auch bei der Magenentleerung heraus, dass die intraindividuelle Variabilität vergleichbar mit der interindividuellen Variabilität ist. Diesem Fakt wurde bisher zu wenig Bedeutung beigemessen, denn das bedeutet, dass ein Proband nach Mehrfachgabe die gleiche Variabilität zeigen kann, wie ein ganzes Studienkollektiv aus mehreren Probanden. Bei oraler Gabe stellt die gleiche Person demnach keineswegs eine reproduzierbare Referenz für sich selbst dar. Es zeigt auch, dass der Einnahmezeitpunkt in Relation zum MMC eine große Bedeutung für die Menge und physikochemische Zusammensetzung des gastrischen Freisetzungsmediums hat.
Um über die Untersuchung der gastrointestinalen Flüssigkeiten hinaus auch den Arzneiformentransit und -zerfall und das Zusammenspiel mit dem Flüssigkeitstransport zu untersuchen, wurden bekannte Kontrastierungsmethoden für die MRT adaptiert und neue Methoden unter Nutzung von Lebensmitteln entwickelt. Mithilfe einer auf getrockneten Ananasstücken basierenden Methode konnte unter anderem der Transit und Zerfall von DRcapsTM als Cap in-Cap Formulierung im Zusammenspiel mit der Magenentleerung des eingenommenen Wassers untersucht werden. Der Produktclaim einer verzögerten Desintegration, die zeitgesteuert die Freisetzung im Magen verhindert und erst im Dünndarm zu einer Freisetzung führen soll wurde ebenfalls überprüft. Dazu wurden im nüchternen Zustand eine schwimmende und sinkende Formulierung getestet. Hartkapseln haben aufgrund ihrer Pulverfüllung in der Regel eine relativ niedrige Dichte. Dies könnte die Vergleichbarkeit des Transits mit etablierten magensaftresistenten Tabletten einschränken. Bekanntermaßen stellen schwimmende Monolithen auch ein Konzept der Gastroretention dar, was für die Funktion der DRcapsTM aufgrund der Gefahr einer Desintegration im Magen nachteilig wäre und daher in dieser Studie ebenfalls überprüft wurde. Die Magenentleerungszeitpunkte lagen im Mittel bei 45 ± 35 min für die schwimmenden Kapseln und 36 ± 18 min für die sinkenden Kapseln. Demnach sind schwimmende Monolithen entgegen verbreiteter Meinung nach nüchterner Applikation nicht gastroretentiv. Für die Vergleichbarkeit des Transits schwimmender modifiziert freisetzender Kapseln ist dies jedoch vorteilhaft. Die Zerfallszeiten konnten ebenfalls bestimmt werden und die Desintegration fand ausschließlich im Dünndarm statt. Des Weiteren wurde unabhängig von der Dichte in mehreren Fällen eine Magenentleerung der Kapseln lange vor abgeschlossener Wasserentleerung beobachtet. Dieser schnellen Entleerung wird in Modellen bisher möglicherweise zu wenig Bedeutung beigemessen.
Um auch schnell freisetzende Hartkapseln besser untersuchen zu können, wurde die Methodik angepasst und der Lebensmittelfarbstoff Eisenoxid als MRT-Kontrastmittel und Koffein als pharmakokinetischer Marker im Speichel verwendet. In einer Pilotstudie ergab sich eine deutliche Abhängigkeit vom Zerfallsort der Kapseln und der Geschwindigkeit der pharmakokinetischen Anflutung. Vom visuellen Zerfall der Kapsel vergingen nach Desintegration im Fundus 6,5 ± 2,5 min, im Antrum 3 ± 2 min, wohingegen in dem Einzelfall des Zerfalls im Dünndarm ein unmittelbares Auftauchen des Koffeins beobachtet wurde. Die Studie lieferte wertvolle erste Einblicke und bestätigte den Nutzen der Kombination von MRT Bildgebung und der Untersuchung der Pharmakokinetik von Koffein im Speichel. Es liegen nun mehrere etablierte Methodiken vor, um zu untersuchen wann und wo konventionelle, aber auch magensaftresistente oder zeitlich verzögert freisetzende Kapseln freisetzen und welchen pharmakokinetischen Effekt dies gegebenenfalls hat.
Über die Kernthemen der Arbeit hinaus wurden diverse andere Projekte insbesondere mithilfe Telemetrischer Kapseln in Human- und Tierstudien erfolgreich mitbearbeitet. Darüber hinaus fanden die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen Daten bereits Eingang in verschiedene biorelevante Freisetzungsapparaturen und PBPK Modelle. Bisher sind jedoch weder der Einfluss der gastrointestinalen Volumina noch des Transits abschließend geklärt. Die hoch wirkstoffabhängigen Einflüsse, werden in weiteren Studien weiter wirkstoffspezifisch zu untersuchen sein, oder können mithilfe der Implementierung der gewonnenen Daten in in vitro und in silico Tools simuliert werden.
Der Einfluss von kaltem Atmosphärendruckplasma auf die Melaninsynthese in humanen Melanozyten
(2020)
Das zur Behandlung von chronischen Wunden zugelassene Plasmagerät kINPen®MED wurde in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich eines möglichen Effektes auf die Pigmentierung der Haut in vitro untersucht. Dazu wurden zunächst Untersuchungen an Melanomzellen durchgeführt. Verschieden stark pigmentierte Melanomzelllinien wurden einer indirekten Plasmabehandlung ausgesetzt, das heißt mit plasmabehandeltem Zellkulturmedium inkubiert, und der Melaningehalt wurde vor und nach der Behandlung durch eine UVspektroskopische Analyse evaluiert. Im Vergleich zu den unbehandelten Zellen war der Melaningehalt aller getesteten Melanomzelllinien erhöht. Auch im Vergleich zu Zellen, die mit den Positivkontrollen IBMX beziehungsweise NH4Cl / Tyrosin behandelt wurden, zeigte sich ein verstärkter Effekt der Plasmabehandlung auf die Pigmentierung der Melanomzellen. Da Melanomzellen nicht in erster Linie das Ziel von therapeutisch indizierten Beinflussungen der Pigmentierung sind, wurde im nächsten Schritt die Bestimmung des Melaningehaltes von primären Melanozyten nach in vitro-Plasmabehandlung durchgeführt. Dazu wurde zunächst die Methode zur relativen Melaninquantifizierung grundlegend überarbeitet. Es wurden zwei verschiedene Methoden zur verbesserten Melaninanalytik entwickelt, die hinsichtlich der benötigten Probenmenge im Vergleich mit der UV- spektroskopischen Melaningehaltsbestimmung im Melanomzellmodell eine höhere Sensitivität aufweisen. Die erste Methode basiert, wie in der Literatur beschrieben, auf der Oxidation des Melanins in alkalischer Lösung durch Wasserstoffperoxid und anschließender Analyse der melaninspezifischen Abbauprodukte. Die bestehende Methode wurde um eine massenspektrometrische Detektion der Abbauprodukte erweitert, was eine Reduktion der benötigten Probenmenge um den Faktor 10 ermöglichte bei Erhalt der Differenzierungsmöglichkeit zwischen Eumelanin und Phäomelanin. Die Analyse von primären Melanozyten nach indirekter Plasmabehandlung im Vergleich mit unbehandelten
Melanozyten ergab eine geringe Steigerung des Eumelaningehaltes in Melanozyten eines stark pigmentierten Spenders, der Phäomelaningehalt blieb unverändert. Der als
Positivkontrolle verwendete cAMP-Abbau-Inhibitor IBMX erhöhte sowohl den Eu- als auch den Phäomelaningehalt. Die zweite Methode zur Bestimmung des relativen Melaningehaltes beruht auf der Autofluoreszenz des Melanins, die bei einer Anregungswellenlänge von 785 nm im NIRBereich zu beobachten ist. Unter Verwendung der Durchflusszytometrie konnte eine Einzelzellanalyse der primären Melanozyten hinsichtlich ihrer Autofluoreszenzintensität durchgeführt werden. Dabei korrelierten die erzielten Ergebnisse der relativen Intensitätsänderung mit denen der massenspektrometrischen Quantifizierung der Melaninabbauprodukte. Gegenüber der unbehandelten Kontrolle war der Melaningehalt nach indirekter Plasmabehandlung geringfügig gesteigert. Nach Behandlung der Zellen mit IBMX als pharmakologischer Positivkontrolle sowie infolge einer Behandlung mit direkter UVStrahlung als physikochemischer Positivkontrolle war jedoch ein stärkerer Effekt auf die Steigerung der Melaninproduktion als bei der indirekten Plasmabehandlung zu beobachten. Die in vitro erhaltenen Ergebnisse konnten auf ein komplexeres Modell übertragen werden, indem eine direkte Plasmabehandlung von Hautproben ex vivo durchgeführt wurde. Außerdem wurde auf diese Weise ein Vergleich zwischen direkter Plasmabehandlung und UVStrahlung neben der unbehandelten Kontrolle möglich. Dazu wurden aus den Hautproben nach Behandlung und anschließender Inkubationszeit Kryoschnitte angefertigt. Um das enthaltene Melanin sichtbar zu machen, wurden die Schnitte einer Silbernitratfärbung unterzogen. Die an einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop aufgenommenen Bilder wurden anschließend mit Hilfe zweier Softwares ausgewertet und die Ergebnisse verglichen. Insgesamt lässt sich trotz starker Schwankung der Ergebnisse beobachten, dass eine wiederholte direkte Plasmabehandlung eine Steigerung der Pigmentierung bewirkt, wenn auch in schwächerem Ausmaß, als dies nach UV-Bestrahlung zu beobachten ist. Insgesamt konnte durch Analyse des Melaningehaltes mit grundlegend unterschiedlichen Methoden wiederholt beobachtet werden, dass eine Plasmabehandlung einen geringen Effekt auf die Pigmentierung humaner Melanozyten ausübt. Dieser Effekt ist bei Behandlungszeiten, wie sie für den kINPen®MED zur Wundbehandlung empfohlen sind, im Vergleich zu einer UVBestrahlung beziehungsweise im Vergleich mit einer pharmakologischen Induktion der Melanogenese deutlich niedriger. Eine Intensivierung der Pigmentierung im Rahmen einer Wundbehandlung ist demnach nicht zu erwarten. Nichtsdestotrotz übt die Plasmabehandlung einen, wenn auch geringen, Effekt auf die Melaninproduktion in der humanen Haut aus. Um etwaige beteilige Enzyme an der gesteigerten Melaninproduktion zu erkennen, wurden Genexpressionsanalysen durchgeführt. Durch die Untersuchung der differenziellen Expression mittels Microarray konnte für 287 annotierte Gene eine Änderungen der Expression festgestellt werden, davon konnten 2 Gene identifiziert werden, für die ein Zusammenhang mit der Pigmentierung beschrieben ist. Veränderte Expressionslevel der hauptsächlich an der Melaninsynthese beteiligten Enzyme wurden durch die Plasmabehandlung der Melanozyten nicht detektiert. Die Untersuchung einiger ausgewählter, an der Melanogenese beteiligter Enzyme mittels qPCR führte zum selben Ergebnis: durch die getesteten Parameter der indirekten Plasmabehandlung wurden keine biologisch relevanten Änderungen des Transkriptionslevels hervorgerufen. In der vorliegenden Arbeit wurde umfassend gezeigt, dass das Medizinprodukt kINPen®MED in den durchgeführten in vitro Tests einen vergleichsweise geringen Effekt auf die Pigmentierung ausübt, der den Positivkontrollen unterlegen ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass der kINPen®MED keinen geeigneten Modulator der Pigmentierung darstellt. Gleichzeitig unterstreichen die Resultate die Unbedenklichkeit der sachgemäßen Anwendung des kINPen®MED an der humanen Haut hinsichtlich etwaiger Melanin-bedingter Veränderungen. Es ist weder eine sichtbare Verstärkung der Pigmentierung noch eine Depigmentierung zu erwarten. Zudem wurde durch die Weiterentwicklung der Methodik im Bereich der Melaninanalytik ein Beitrag zur zukünftigen Testung von Pigmentierungsmodulatoren in Zellkulturmodellen geleistet.
Multidrug-resistant gram-negative (MRGN) bacteria are a serious threat to global health. We used genomics tostudy MRGN obtained from houseflies in a tertiary Rwandan hospital. Our analysis revealed a high abundance ofdifferent MRGN includingE. colipathogenic lineage ST131 suggesting the important role of flies in disseminatinghighly virulent pathogens in clinical settings and beyond
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.
Polysaccharide is a major constituent of the total organic carbon that is generated by photosynthetic eukaryotes. In the marine realm, where approximately half of annual global carbon fixation occurs, algae can produce large amounts of polysaccharide during bloom events. Phytoplankton blooms are frequently seasonal phenomena, and spring blooms in particular have been a focus of study as they are predictable in space and time. This makes them much more amenable model systems in which to explore the processes that occur as organic carbon is recycled.
It is assumed that the bulk of the polysaccharides algae produce serve one of two primary functions - namely acting as an energy storage molecule, or they serve as structural polymers in the cell walls. Other polysaccharides may also have protective functions as exudates. Regardless of function in algae, the polysaccharides are a valuable energy source for heterotrophic bacteria. The combination of abundance and predictable or semi-predictable structure of the polysaccharides has led to proliferation of variations on a particular sequestration and degradation strategy among the Bacteroidetes and Gammaproteobacteria that is frequently characterised as being ‘selfish’. The strategy is based on uptake of poly- and especially oligosaccharides into the periplasm via the use of TonB-dependent transporters. Once in the periplasmic space, oligomers can be further degraded to monomers that can then be transported into the cytosol. This mechanism is beneficial to the cell as it needn’t then lose the nutritive benefit of the polysaccharide to other cells, which may or may not have manufactured their own degradative carbohydrate active enzymes (CAZymes).
The research articles that make up this thesis are thus based around attempts to find and elucidate the polysaccharide preferences of heterotrophic bacteria that become abundant following phytoplankton blooms.The first article is a study into the abundance of TonB-dependent transporter proteins in metaproteomes and metagenomes across a single spring phytoplankton bloom at the long term research station at Helgoland. This investigation identifies transporters for laminarin and alpha-glucans, the two most abundant glucose-based storage polysaccharides, are the most abundant predicted polysaccharide transporting TonB-dependent transporters during the bloom. However, as the bloom progressed, and particularly following a doubling of bacterial cell numbers, the proportion of predicted polysaccharide transporters dedicated to laminarin and alpha-glucan transport declined relative to transporters for less readily degraded mannose-, xylose-, and fucose-containing polysaccharides. The inference is that this change is an active response to the availability of the different polysaccharides, or their relative attractiveness as growth substrates during the period.
The second article is an in-depth look at one of the most abundant Bacteroidetes clades, which was previously unnamed, and has not to date been cultivated. The most abundant species in this clade grows rapidly and often peaks earlier than other heterotrophic clades. It was found to be limited in predicted polysaccharide consumption capability, having only PULs for predicted laminarin degradation. It is also detectable in many locations at higher latitudes where phytoplankton blooms are expected to occur, indicating this is a globally successful consumer of algal organic matter, and may have an outsize significance for global laminarin degradation given its high abundance.
The third article is a more holistic study of phytoplankton bloom associated Gammaproteobacteria, which have otherwise been rather ignored compared to the Bacteroidetes. Gammaproteobacteria overlap with Bacteroidetes to some extent in being clear consumers of laminarin, but fewer of them are clearly capable of consuming the more complex cell-wall derived polysaccharides. Some may, however, be producers of alginate, an otherwise mysteriously popular polysaccharide with Bacteroidetes, given that it is not known to be produced by bloom forming microalgae.
The fourth article then goes into detail on the PUL content of Bacteroidetes, based on metagenomic data. It finds five substrates, alpha- and beta-glucans, xylose and mannose rich polysaccharides, and alginate, are the most frequent predicted polysaccharide substrates for Bacteroidetes PULs among populations responding to the Helgoland spring blooms.
This thesis thus summarises multiple metagenomic and metaproteomic investigations into the polysaccharide consumption capabilities of marine heterotrophic bacteria. These bacteria have a profound impact on the overall carbon cycle in coastal regions, and are critical for understanding how changes in atmospheric carbon concentrations impact carbon turnover and storage in the world's oceans.
Abstract
Because isoenzymes of the experimentally and therapeutically extremely relevant sirtuin family show high similarity, addressing the unique selectivity pocket of sirtuin 2 is a promising strategy towards selective inhibitors. An unrelated approach towards selective inhibition of isoenzymes with varied tissue distribution is targeted drug delivery or spatiotemporal activation by photochemical activation. Azologization of two nicotinamide‐mimicking lead structures was undertaken to combine both approaches and yielded a set of 33 azobenzenes and azopyridines that have been evaluated for their photochemical behaviour and bioactivity. For some compounds, inhibitory activity reached the sub‐micromolar range in their thermodynamically favoured E form and could be decreased by photoisomerization to the metastable Z form. Besides, derivatization with long‐chain fatty acids yielded potent sirtuin 2 inhibitors, featuring another intriguing aspect of azo‐based photoswitches. In these compounds, switching to the Z isomer increased aqueous solubility and thereby enhanced biological activity by up to a factor of 21. The biological activity of two compounds was confirmed by hyperacetylation of sirtuin specific histone proteins in a cell‐based activity assay.