Botanical drugs, synergy, and network pharmacology: forth and back to intelligent mixtures

For centuries the science of pharmacognosy has dominated rational drug development until it was gradually substituted by target-based drug discovery in the last fifty years. Pharmacognosy stems from the different systems of traditional herbal medicine and its "reverse pharmacology" approach has led to the discovery of numerous pharmacologically active molecules and drug leads for humankind. But do botanical drugs also provide effective mixtures? Nature has evolved distinct strategies to modulate biological processes, either by selectively targeting biological macromolecules or by creating molecular promiscuity or polypharmacology (one molecule binds to different targets). Widely claimed to be superior over monosubstances, mixtures of bioactive compounds in botanical drugs allegedly exert synergistic therapeutic effects. Despite evolutionary clues to molecular synergism in nature, sound experimental data are still widely lacking to support this assumption. In this short review, the emerging concept of network pharmacology is highlighted, and the importance of studying ligand-target networks for botanical drugs is emphasized. Furthermore, problems associated with studying mixtures of molecules with distinctly different pharmacodynamic properties are addressed. It is concluded that a better understanding of the polypharmacology and potential network pharmacology of botanical drugs is fundamental in the ongoing rationalization of phytotherapy.

SLC9/NHE gene family, a plasma membrane and organellar family of Na⁺/H⁺ exchangers

This brief review of the human Na/H exchanger gene family introduces a new classification with three subgroups to the SLC9 gene family. Progress in the structure and function of this gene family is reviewed with structure based on homology to the bacterial Na/H exchanger NhaA. Human diseases which result from genetic abnormalities of the SLC9 family are discussed although the exact role of these transporters in causing any disease is not established, other than poorly functioning NHE3 in congenital Na diarrhea.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Application of an in vitro drug screening assay based on the release of phosphoglucose isomerase to determine the structure-activity relationship of thiazolides against Echinococcus multilocularis metacestodes

OBJECTIVES: The disease alveolar echinococcosis (AE), caused by the larval stage of the cestode Echinococcus multilocularis, is fatal if treatment is unsuccessful. Current treatment options are, at best, parasitostatic, and involve taking benzimidazoles (albendazole, mebendazole) for the whole of a patient's life. In conjunction with the recent development of optimized procedures for E. multilocularis metacestode cultivation, we aimed to develop a rapid and reliable drug screening test, which enables efficient screening of a large number of compounds in a relatively short time frame. METHODS: Metacestodes were treated in vitro with albendazole, the nitro-thiazole nitazoxanide and 29 nitazoxanide derivatives. The resulting leakage of phosphoglucose isomerase (PGI) activity into the medium supernatant was measured and provided an indication of compound efficacy. RESULTS: We show that upon in vitro culture of E. multilocularis metacestodes in the presence of active drugs such as albendazole, the nitro-thiazole nitazoxanide and 30 different nitazoxanide derivatives, the activity of PGI in culture supernatants increased. The increase in PGI activity correlated with the progressive degeneration and destruction of metacestode tissue in a time- and concentration-dependent manner, which allowed us to perform a structure-activity relationship analysis on the thiazolide compounds used in this study. CONCLUSIONS: The assay presented here is inexpensive, rapid, can be used in 24- and 96-well formats and will serve as an ideal tool for first-round in vitro tests on the efficacy of large numbers of antiparasitic compounds.

Design-based stereology to quantify structural properties of artificial and natural snow using thin sections

The quantification of the structural properties of snow is traditionally based on model-based stereology. Model-based stereology requires assumptions about the shape of the investigated structure. Here, we show how the density, specific surface area, and grain boundary area can be measured using a design-based method, where no assumptions about structural properties are necessary. The stereological results were also compared to X-ray tomography to control the accuracy of the method. The specific surface area calculated with the stereological method was 19.8 ± 12.3% smaller than with X-ray tomography. For the density, the stereological method gave results that were 11.7 ± 12.1% larger than X-ray tomography. The statistical analysis of the estimates confirmed that the stereological method and the sampling used are accurate. This stereological method was successfully tested on artificially produced ice beads but also on several snow types. Combining stereology and polarisation microscopy provides a good estimate of grain boundary areas in ice beads and in natural snow, with some limitatio

Model-based control of neuromuscular block using mivacurium: design and clinical verification

BACKGROUND: Short-acting agents for neuromuscular block (NMB) require frequent dosing adjustments for individual patient's needs. In this study, we verified a new closed-loop controller for mivacurium dosing in clinical trials. METHODS: Fifteen patients were studied. T1% measured with electromyography was used as input signal for the model-based controller. After induction of propofol/opiate anaesthesia, stabilization of baseline electromyography signal was awaited and a bolus of 0.3 mg kg-1 mivacurium was then administered to facilitate endotracheal intubation. Closed-loop infusion was started thereafter, targeting a neuromuscular block of 90%. Setpoint deviation, the number of manual interventions and surgeon's complaints were recorded. Drug use and its variability between and within patients were evaluated. RESULTS: Median time of closed-loop control for the 11 patients included in the data processing was 135 [89-336] min (median [range]). Four patients had to be excluded because of sensor problems. Mean absolute deviation from setpoint was 1.8 +/- 0.9 T1%. Neither manual interventions nor complaints from the surgeons were recorded. Mean necessary mivacurium infusion rate was 7.0 +/- 2.2 microg kg-1 min-1. Intrapatient variability of mean infusion rates over 30-min interval showed high differences up to a factor of 1.8 between highest and lowest requirement in the same patient. CONCLUSIONS: Neuromuscular block can precisely be controlled with mivacurium using our model-based controller. The amount of mivacurium needed to maintain T1% at defined constant levels differed largely between and within patients. Closed-loop control seems therefore advantageous to automatically maintain neuromuscular block at constant levels.

Drug-eluting or bare-metal stents for large coronary vessel stenting? The BASKET-PROVE (PROspective Validation Examination) trial: study protocol and design

BACKGROUND: Based on a subgroup analysis of 18-month BAsel Stent Kosten Effektivitäts Trial (BASKET) outcome data, we hypothesized that very late (> 12 months) stent thrombosis occurs predominantly after drug-eluting stent implantation in large native coronary vessel stenting. METHODS: To prove or refute this hypothesis, we set up an 11-center 4-country prospective trial of 2260 consecutive patients treated with > or = 3.0-mm stents only, randomized to receive Cypher (Johnson ; Johnson, Miami Lakes, FL), Vision (Abbott Vascular, Abbott Laboratories, IL), or Xience stents (Abbott Vascular). Only patients with left main or bypass graft disease, in-stent restenosis or stent thrombosis, in need of nonheart surgery, at increased bleeding risk, without compliance/consent are excluded. All patients are treated with dual antiplatelet therapy for 12 months. The primary end point will be cardiac death/nonfatal myocardial infarction after 24 months with further follow-up up to 5 years. RESULTS: By June 12, 229 patients (10% of the planned total) were included with a baseline risk similar to that of the same subgroup of BASKET (n = 588). CONCLUSIONS: This study will answer several important questions of contemporary stent use in patients with large native vessel stenting. The 2-year death/myocardial infarction-as well as target vessel revascularization-and bleeding rates in these patients with a first- versus second-generation drug-eluting stent should demonstrate the benefit or harm of these stents compared to cobalt-chromium bare-metal stents in this relevant, low-risk group of everyday patients. In addition, a comparison with similar BASKET patients will allow to estimate the impact of 12- versus 6-month dual antiplatelet therapy on these outcomes.