Novel two photon absorbers: evaluation of photophysical properties in view of biomedical applications

This thesis was focused on the investigation of the linear optical properties of novel two photon absorbers for biomedical applications. Substituted imidazole and imidazopyridine derivatives, and organic dendrimers were studied as potential fluorophores for two photon bioimaging. The results obtained showed superior luminescence properties for sulphonamido imidazole derivatives compared to other substituted imidazoles. Imidazo[1,2-a]pyridines exhibited an important dependence on the substitution pattern of their luminescence properties. Substitution at imidazole ring led to a higher fluorescence yield than the substitution at the pyridine one. Bis-imidazo[1,2-a]pyridines of Donor-Acceptor-Donor type were examined. Bis-imidazo[1,2-a]pyridines dimerized at C3 position had better luminescence properties than those dimerized at C5, displaying high emission yields and important 2PA cross sections. Phosphazene-based dendrimers with fluorene branches and cationic charges on the periphery were also examined. Due to aggregation phenomena in polar solvents, the dendrimers registered a significant loss of luminescence with respect to fluorene chromophore model. An improved design of more rigid chromophores yields enhanced luminescence properties which, connected to large 2PA cross-sections, make this compounds valuable as fluorophores in bioimaging. The photophysical study of several ketocoumarine initiators, designed for the fabrication of small dimension prostheses by two photon polymerization (2PP) was carried out. The compounds showed low emission yields, indicative of a high population of the triplet excited state, which is the active state in producing the reactive species. Their efficiency in 2PP was proved by fabrication of microstructures and their biocompatibility was tested in the collaborator’s laboratory. In the frame of the 2PA photorelease of drugs, three fluorene-based dyads have been investigated. They were designed to release the gamma-aminobutyric acid via two photon induced electron transfer. The experimental data in polar solvents showed a fast electron transfer followed by an almost equally fast back electron transfer process, which indicate a poor optimization of the system.

The development and deployment of FOTOS: a fast observation of trace organics system

Flüchtige organische Bestandteile (engl.: VOC) sind in der Atmosphäre in Spuren vorhanden, spielen aber trotzdem eine wichtige Rolle in der Luftchemie: sie beeinflussen das Ozon der Troposphäre, städtischen Smog, Oxidationskapazität und haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die globale Klimaveränderung. Eine wichtige Klasse der VOC sind die Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe (engl.: NMHC), die überwiegend von anthropogenen Quellen kommen. Aus diesem Grund ist für Luftchemiker ein Messinstrument nötig, das die VOC, die NMHC eingeschlossen, mit einer höheren Zeitauflösung misst, besonders für Echtzeitmessungen an Bord eines Forschungsflugzeuges. Dafür wurde das System zur schnellen Beobachtung von organischen Spuren (engl.: FOTOS) entworfen, gebaut für den Einsatz in einem neuen Wissenschaftlichen Flugzeug, das in großen Höhen und über weite Strecken fliegt, genannt HALO. In der Folge wurde FOTOS in zwei Messkampagnen am Boden getestet. FOTOS wurde entworfen und gebaut mit einem speziell angefertigten, automatisierten, kryogenen Probensystem mit drei Fallen und einem angepassten, erworbenen schnellen GC-MS. Ziel dieses Aufbaus war es, die Vielseitigkeit zu vergrößern und das Störungspotential zu verringern, deshalb wurden keine chemischen Trocknungsmittel oder adsorbierenden Stoffe verwendet. FOTOS erreichte eine Probenfrequenz von 5.5 Minuten, während es mindestens 13 verschiedene C2- bis C5-NMHC maß. Die Drei-Sigma-Detektionsgrenze für n- und iso-Pentan wurde als 2.6 und 2.0 pptv ermittelt, in dieser Reihenfolge. Labortests bestätigten, dass FOTOS ein vielseitiges, robustes, hochautomatisiertes, präzises, genaues, empfindliches Instrument ist, geeignet für Echtzeitmessungen von VOC in Probenfrequenzen, die angemessen sind für ein Forschungsflugzeug wie HALO. Um die Leistung von FOTOS zu bestätigen, wurde vom 26. Januar bis 4. Februar 2010 ein Zwischenvergleich gemacht mit dem GC-FID-System am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg, einer WMO-GAW-globalen Station. Dreizehn verschiedene NMHC wurden innerhalb des Rahmens der GWA Data Quality Objectives (DQO) analysiert und verglichen. Mehr als 80% der Messungen von sechs C3- bis C5-NMHC erfüllten diese DQO. Diese erste Messkampagne im Feld hob die Robustheit und Messgenauigkeit von FOTOS hervor, zusätzlich zu dem Vorteil der höheren Probenfrequenz, sogar in einer Messung am Boden. Um die Möglichkeiten dieses Instrumentes im Feld zu zeigen, maß FOTOS ausgewählte leichte NMHC während einer Messkampagne im Borealen Waldgebiet, HUMPPA-COPEC 2010. Vom 12. Juli bis zum 12. August 2010 beteiligte sich eine internationale Gruppe von Instituten und Instrumenten an Messungen physikalischer und chemischer Größen der Gas- und Partikelphasen der Luft über dem Borealen Wald an der SMEAR II-Station nahe Hyyttiälä, Finnland. Es wurden mehrere Hauptpunkte von Interesse im Mischungsverhältnis der Alkane und im Isomerenverhätnis von Pentan identifiziert, insbesondere sehr unterschiedliche Perioden niedriger und hoher Variabilität, drei Rauchschwaden von Biomassen-Verbrennung von russischen Waldbränden und zwei Tage mit extrem sauberer Luft aus der Polarregion. Vergleiche der NMHC mit anderen anthropogenen Indikatoren zeigten mehrere Quellen anthropogener Einflüsse am Ort auf und erlaubten eine Unterscheidung zwischen lokalen und weiter entfernten Quellen. Auf einen minimalen natürlichen Beitrag zum 24h-Kreislauf von NOx wurde geschlussfolgert aus der Korrelation von NOx mit Alkanen. Altersschätzungen der Luftmassen durch das Isomerenverhältnis von Pentan wurden erschwert durch sich verändernde Verhältnisse der Quellen und durch Besonderheiten der Photochemie während des Sommers im hohen Norden. Diese Messungen zeigten den Wert des Messens leichter NMHC, selbst in abgelegenen Regionen, als einen zusätzlichen spezifischen Marker von anthropogenem Einfluss.

Identifizierung chemischer Transportinhibitoren zur Modulation (patho)biologischer Genprodukte

Die intrazelluläre Lokalisation von Proteinen und Makromolekülen unterliegt in Eukaryoten einer strengen Regulation. Insbesondere erlaubt die Kompartimentierung eukaryotischer Zellen in Zellkern und Zytoplasma den simultanen Ablauf räumlich getrennter biochemischer Reaktionen, und damit die unabhängige Regulation zellulärer Programme. Da trotz intensiver Forschungsbemühungen bis dato die molekularen Details sowie die (patho)biologische Bedeutung von Kern-Zytoplasma-Transportprozessen noch immer nicht vollkommen verstanden sind, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein Fokus auf die Identifizierung von chemischen Transportinhibitoren gelegt. Das zu diesem Zweck entwickelte Translokations-Biosensor-System basiert auf der Kombination von autofluoreszierenden Proteinen, sowie spezifisch ausgewählten Kernexport- und Kernimportsignalen. Nach Etablierung geeigneter Zellmodelle, die effizient und stabil die Translokations-Biosensoren exprimieren, wurde die 17 000 Substanzen umfassende Bibliothek der ChemBioNet-Initiative nach Kernexportinhibitoren mittels einer Fluoreszenzmikroskopie-basierten Hochdurchsatzanalyse-Plattform durchmustert. Zunächst wurden Translokations-Algorithmen, welche eine zuverlässige automatisierte Erkennung von Zellkern und Zytoplasma erlauben, optimiert. Im Folgenden konnten acht neue niedermolekulare Kernexport-Inhibitoren identifiziert werden, die sich in der Stärke, der Geschwindigkeit, sowie in der Beständigkeit der vermittelten Inhibition unterscheiden. Die Aktivität der Inhibitoren konnte auf den isolierten nukleären Exportsignalen (NES) von HIV-1 Rev und Survivin als auch auf den entsprechenden Volllängeproteinen mittels Mikroinjektionsexperimenten sowie durch umfassende in vitro und biochemische Methoden bestätigt werden. Zur Untersuchung der funktionellen Einheiten der Inhibitoren wurden homologe Substanzen auf Ihre Aktivität hin getestet. Dabei konnten für die Aktivität wichtige chemische Gruppen definiert werden. Alle Substanzen stellen neue Inhibitoren des Crm1-abhängigen Exports dar und zeigen keine nachweisbare NES-Selektivität. Interessanterweise konnte jedoch eine zytotoxische und Apoptose-induzierende Wirkung auf verschiedene Krebszellarten festgestellt werden. Da diese Wirkung unabhängig vom p53-Status der Tumorzellen ist und die Inhibitoren C3 und C5 die Vitalität nicht-maligner humaner Zellen signifikant weniger beeinträchtigen, wurden diese Substanzen zum internationalen Patent angemeldet. Da der nukleäre Export besonders für Tumorzellen einen wichtigen Überlebenssignalweg darstellt, könnte dessen reversible Hemmung ausgenutzt werden, um besonders in Kombination mit gängigen Krebstherapien eine therapeutisch relevante Tumorinhibition zu erzeugen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der neuen Exportinhibitoren ist auf dem Gebiet der Infektionskrankheiten zu sehen, da auch die Aktivität des essentiellen HIV-1 Rev-Proteins inhibiert wird. Zusätzlich konnte in der Arbeit gezeigt werden, dass der zelluläre Kofaktor des Crm1-abhängigen Exports des HIV-1 Rev-Proteins, die RNA-Helikase DDX3, ein eigenes NES enthält. Der Nachweis einer direkten Interaktion des HIV-1 Rev- mit dem DDX3-Protein impliziert, dass multiple Angriffstellen für chemische Modulatoren hinsichtlich einer antiviralen Therapie gegeben sind. Da die Vielfalt des chemischen Strukturraums es unmöglich macht diesen experimentell vollständig zu durchmustern, wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Naturstoffe als vielversprechende Wirkstoffquelle untersucht. Um zukünftig umfassend bioaktive Substanzen aus diesen hochkomplexen Stoffgemischen experimentell identifizieren zu können, wurde eine Fluoreszenzmikroskopie-basierte Hochdurchsatzanalyse-Plattform am Mainz Screening Center (MSC) etabliert. Damit konnte bereits ein weiterer, bisher unbekannter Exportinhibitor aus Cyphellopsis anomala identifiziert werden. Neben einer Anwendung dieser Substanz als chemisches Werkzeug zur Aufklärung der Regulation von Transportvorgängen, stellt sich auch die evolutionsbiologisch relevante Frage, wie es dem Pilzproduzenten gelingt die Blockierung des eigenen Kernexports zu umgehen. Weiterführende Projekte müssen sich neben der Aufklärung der molekularen Wirkmechanismen der gefundenen Substanzen mit der Identifizierung spezifischer chemischer „Funktionseinheiten“ beschäftigen. Neben einem verbesserten mechanistischen Verständnis von Transportvorgängen stellen die erarbeiteten Transportinhibitoren Vorstufen zur Weiterentwicklung möglicher Wirkstoffe dar. Die im Rahmen dieser Arbeit etablierte Technologie-Plattform und molekularen Werkzeuge stellen darüber hinaus eine wichtige Voraussetzung dar, um eine systematische Suche nach möglichen Wirkstoffen im Forschungsfeld der „Chemischen Biomedizin“ voranzutreiben.

The binding mode of side chain- and C3-modified epothilones to tubulin

The tubulin-binding mode of C3- and C15-modified analogues of epothilone A (Epo A) was determined by NMR spectroscopy and computational methods and compared with the existing structural models of tubulin-bound natural Epo A. Only minor differences were observed in the conformation of the macrocycle between Epo A and the C3-modified analogues investigated. In particular, 3-deoxy- (compound 2) and 3-deoxy-2,3-didehydro-Epo A (3) were found to adopt similar conformations in the tubulin-binding cleft as Epo A, thus indicating that the 3-OH group is not essential for epothilones to assume their bioactive conformation. None of the available models of the tubulin-epothilone complex is able to fully recapitulate the differences in tubulin-polymerizing activity and microtubule-binding affinity between C20-modified epothilones 6 (C20-propyl), 7 (C20-butyl), and 8 (C20-hydroxypropyl). Based on the results of transferred NOE experiments in the presence of tubulin, the isomeric C15 quinoline-based Epo B analogues 4 and 5 show very similar orientations of the side chain, irrespective of the position of the nitrogen atom in the quinoline ring. The quinoline side chain stacks on the imidazole moiety of beta-His227 with equal efficiency in both cases, thus suggesting that the aromatic side chain moiety in epothilones contributes to tubulin binding through strong van der Waals interactions with the protein rather than hydrogen bonding involving the heteroaromatic nitrogen atom. These conclusions are in line with existing tubulin polymerization and microtubule-binding data for 4, 5, and Epo B.

A novel mechanism for hypofibrinolysis in diabetes: the role of complement C3

Impaired fibrin clot lysis is a key abnormality in diabetes and complement C3 is one protein identified in blood clots. This work investigates the mechanistic pathways linking C3 and hypofibrinolysis in diabetes using ex vivo/in vitro studies.

Complement C3 is a novel plasma clot component with anti-fibrinolytic properties

Increased plasma clot density and prolonged lysis times are associated with cardiovascular disease. In this study, we employed a functional proteomics approach to identify novel clot components which may influence clot phenotypes.

Valve disease in chronic venous disorders: a quantitative ultrastructural analysis by transmission electron microscopy and stereology

INTRODUCTION: The ultrastructure of venous valves and walls in chronic venous disease was investigated. METHODS: Consecutive patients were categorised into one of three groups (group A: patients with C1 venous disease in accordance with CEAP (Clinical severity, Etiology, Anatomy, Pathophysiology); group B: C2 and C3; group C: C4, C5 and C6). The terminal or preterminal valve and adjacent vessel wall was harvested from the great saphenous vein. Sections were examined with a transmission electron microscope. The volumes of elastin and of collagen per unit surface area of valve were assessed, as well as the surface endothelium of valve and vessel wall. RESULTS: The study population consisted of 17 patients. The elastin ratio was analysed by means of stereology. Mean values were: in group A, 0.45 μm3/m2; in group B, 0.67 μm3/m2; in group C, 0.97 μm3/m2. The ratio was similar for collagen (A, 15.7 μm3/m2; B, 26.8 μm3/m2; C, 30.1 μm3/m2). Surface analysis of the valve endothelium and the adjacent vessel wall endothelium showed a trend towards increasing damage with more severe disease. CONCLUSIONS: With progression of venous disease, the valve elastin content, assessed morphologically, seems to increase, and the endothelium of the venous valve and the vein wall tend to show more damage.

La valeur de la femme dans la société traditionnelle Bətí-faŋ

Le Bətí-faŋ est une langue parlée dans la sous-région Afrique centrale, notamment au Cameroun, en Guinée Équatorial, au Gabon et à Sao Tomé et Principe. Le Bətí-faŋ est un peuple fier, avec un passé culturel à la fois important et mystérieux. Certains de ses aspects culturels aujourd'hui sont perdus, dû, en grande partie, à l'action de la religion occidentale et de la colonisation. De nombreuses pratiques alors usitées se voient interdites, à cause des idées préconçues et des interprétations subjectives qui sont accordées à ses pratiques. De même, la valeur et la place que l'Homme Bətí accorde à la femme dans la société s’en trouve pervertie, ceci pour servir les desseins de l’oppresseur. Cet aspect en particulier de la société traditionnelle Bətí-faŋ a souvent porté à polémique. Ces préjugés et interprétations, sont pour la plupart, fréquemment avancées sans que la philosophie de cette société, le contexte, l'époque, et le symbolisme des dits effets ou individus ne soient pris en compte. Cet article va s’arrêter sur la femme Bətí en particulier. Nous essaierons de faire ressortir le symbolisme qui entoure celle-ci. Nous insisterons sur la valeur, ainsi que sur la place et l'importance accordées à celle-ci dans la société traditionnelle des seigneurs de la forêt. Pour se faire, nous porterons notre attention sur les formes de mariages qui ont marquées cette époque. Nous nous étendrons aussi sur l’importance accordée au nombre, ainsi que son impact sur la vie culturelle de l'« Atí ». Nous brosserons enfin, un petit aperçu des rites spécifiques aux femmes qui dénotent de leur impact sur le quotidien des seigneurs de la forêt.

Sonographic visualization and ultrasound-guided block of the third occipital nerve: prospective for a new method to diagnose C2-C3 zygapophysial joint pain

BACKGROUND: Chronic neck pain after whiplash injury is caused by cervical zygapophysial joints in 50% of patients. Diagnostic blocks of nerves supplying the joints are performed using fluoroscopy. The authors' hypothesis was that the third occipital nerve can be visualized and blocked with use of an ultrasound-guided technique. METHODS: In 14 volunteers, the authors placed a needle ultrasound-guided to the third occipital nerve on both sides of the neck. They punctured caudal and perpendicular to the 14-MHz transducer. In 11 volunteers, 0.9 ml of either local anesthetic or normal saline was applied in a randomized, double-blind, crossover manner. Anesthesia was controlled in the corresponding skin area by pinprick and cold testing. The position of the needle was controlled by fluoroscopy. RESULTS: The third occipital nerve could be visualized in all subjects and showed a median diameter of 2.0 mm. Anesthesia was missing after local anesthetic in only one case. There was neither anesthesia nor hyposensitivity after any of the saline injections. The C2-C3 joint, in a transversal plane visualized as a convex density, was identified correctly by ultrasound in 27 of 28 cases, and 23 needles were placed correctly into the target zone. CONCLUSIONS: The third occipital nerve can be visualized and blocked with use of an ultrasound-guided technique. The needles were positioned accurately in 82% of cases as confirmed by fluoroscopy; the nerve was blocked in 90% of cases. Because ultrasound is the only available technique today to visualize this nerve, it seems to be a promising new method for block guidance instead of fluoroscopy.

Excision of high and mid cervical spinal cord arteriovenous malformations by anterior operation

Symptomatic cervical spinal arteriovenous malformations (AVMs) located on the anterior aspect of the spinal cord are rare and surgical removal of these AVMs presents considerable challenges and risks. Surgical techniques to date have usually been by posterior approach and lateral dissection around the cord or via midline myelotomy, both approaches involving cord manipulation and retraction and in the latter, dissection through the spinal cord. We present two teenage patients with symptomatic anteriorly placed mid to high cervical spinal AVMs and associated aneurysm in which excision of the AVMs and aneurysm was performed by an anterior approach using vertebrectomy/corpectomy. The first case had a small perimedullary glomus-type AVM with an aneurysm on the anterior aspect of the cord at the C3/4 level; excision was performed using a single level vertebrectomy/corpectomy, the patient remaining neurologically intact. The second case had a medium-sized juvenile AVM with an aneurysm, both perimedullary and intramedullary, centred at the C5/6 level; excision was performed using a two-level vertebrectomy/corpectomy with no deterioration in the marked pre-operative tetraparesis, which at long-term follow up had improved and stabilised. Anterior approaches have been recently described for treatment of anteriorly placed cervical arteriovenous fistulas (AVFs) and an intramedullary haemangioblastoma, but not as yet for spinal AVMs. These are the first two reported cases of anteriorly situated cervical AVMs successfully removed surgically by an anterior approach and with good neurological outcomes.