Trasformazioni asimmetriche indotte da cristallizzazione di miscele diastereoisomeriche di aldeidi alpha-epimerizzabili

In the last few years organic chemistry has focused attention on enantiomeric resolution. Among the several techiniques, crystallization-induced diastereoisomeric transformation (CIDT) aroused the interest because of high yields, as well as to meet the criteria of green chemistry. The process is applied in the specific way for a racemic mixtures of α- epimerizable aldehydes, in order to obtain enatiomerically enrichment mixtures. This technique involves the transformation of a racemic mixture of enantiomers into a diasteroisomeric one by a reaction with a enantiopure auxiliary (Betti’s base). Then, to mixture of diastereoisomers is applied the acid-catalyzed enrichment process: in solution, the epimerization of more soluble diastereoisomer occurs, accompanied by precipitation and hence the removal of the less soluble one from the equilibrium. Finally, through the hydrolysis reaction, it was possible to recover the enantiomerically enriched aldehydes.

Die Synthese von Glycopeptiden und Glycopeptid-Protein-Konjugaten mit einer Partialstruktur des tumorassoziierten Mucins MUC1 zur Entwicklung von Tumorvakzinen

„Synthese von Glycopeptiden und Glycopeptid-Protein-Konjugaten mit einer Partialstruktur des tumorassoziierten Mucins MUC1 zur Entwicklung von Tumorvakzinen“ Das Glycoprotein MUC1 ist in Tumorepithelzellen sonderlich stark überexprimiert und wegen der vorzeitig einsetzenden Sialylierung sind die Saccharid-Epitope der O-Glycanketten stark verkürzt (sog. tumorassoziierte Antigene). Dadurch werden auch bisher verborgene Peptidepitope des Glycoprotein-Rückgrates auf der Zelloberfläche der Epithelzellen zugänglich, die als fremd von den Zellen des Immunsystems erkannt werden können. Dies macht das MUC1-Zelloberfächenmolekül zu einem Zielmolekül in der Entwicklung von Tumorvakzinen. Diese beiden strukturellen Besonderheiten wurden in der Synthese von Glycohexadecapeptiden verbunden, indem die veränderten tumorassoziierten Saccharidstrukturen TN-, STN- und T-Antigen als Glycosylaminosäure-Festphasenbausteine synthetisiert wurden und in das Peptidepitop der Wiederholungseinheit des MUC1 durch Glycopeptid-Festphasensynthese eingebaut wurden. Wegen der inhärenten schwachen Immunogenität der kurzen Glycopeptide müssen die synthetisierten Glycopeptidstrukturen an ein Trägerprotein, welches das Immunsystem stimuliert, gebunden werden. Zur Anbindung der Glycopeptide ist ein selektives Kupplungsverfahren nötig, um definierte und strukturell einheitliche Glycopeptid-Protein-Konjugate zu erhalten. Es konnte eine neue Methode entwickelt werden, bei der die Konjugation durch eine radikalische Additionsreaktion von als Allylamide funktionalisierten Glycopeptiden an ein Thiol-modifiziertes Trägerprotein erfolgte. Dazu wurde anhand von synthetisierten, als Allylamide modifizierten Modellaminosäuren untersucht, ob diese Reaktion generell für eine Biokonjugation geeignet ist und etwaige Nebenreaktionen auftreten können. Mit dieser Methode konnten verschiedene MUC1-Glycopeptid-Trägerprotein-Konjugate hergestellt werden, deren immunologische Untersuchung noch bevorsteht. Das tumorassoziierte MUC1 nimmt in der immundominanten Region seiner Wiederholungseinheit eine knaufartige Struktur ein. Für die Entwicklung von selektiven Tumorvakzinen ist es von großer Bedeutung möglichst genau die Struktur der veränderten Zelloberflächenmoleküle nachzubilden. Durch die Synthese von cyclischen (Glyco)Peptiden wurde dieses Strukturelement fixiert. Dazu wurden olefinische Aminosäure Festphasenbausteine hergestellt, die zusammen mit den oben genannten Glycosylaminosäuren mittels einer Glycopeptid-Festphasensynthese in acyclische Glycopeptide eingebaut wurden. Diese wurden dann durch Ringschlussmetathese zyklisiert und im Anschluss reduziert und vollständig deblockiert. In einem dritten Projekt wurde der Syntheseweg zur Herstellung einer C-Glycosylaminosäure mit einer N-Acetylgalactosamin-Einheit entwickelt. Wichtige Schritte bei der von Glucosamin ausgehenden Synthese sind die Keck-Allylierung, eine Epimerisierung, die Herstellung eines Brom-Dehydroalanin-Derivates und eine B-Alkyl-Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplung sowie Schutzgruppenoperationen. Der racemische Baustein konnte dann in der Peptid-Festphasensynthese eines komplexen MUC1-Tetanustoxin-Konjugates eingesetzt werden.

Elaeocarpacae-Alkaloide: flexible Synthese optisch aktiver (-) Elaeokanin C Schlüsselbausteine

Kurzzusammenfassung Elaeocarpacae-Alkaloide: flexible Synthesen optisch aktiver (-) Elaeokanin C Schlüsselbausteine Im Tier- und Pflanzenreich sind Alkaloide weit verbreitet und werden von der Biogenese her als Produkte des Aminosäure-Stoffwechsels angesehen. Die Elaeocarpacae-Alkaloide zählen zu den Indolizidinen, welche durch ein Azabicyclo-[4.3.0]-nonan Grundgerüst charakterisiert sind und erstmals Ende der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts aus den Blättern der in Neu Guinea beheimateten Ölbaumgewächse isoliert wurden. Für verschiedene Vertreter dieses Alkaloid-Typs wurden sowohl racemische als auch asymmetrische Totalsynthesen entwickelt. Während für das (+) Elaeokanin C bereits Totalsynthesen existieren, gibt es für das (-) Elaeokanin C bis heute keine asymmetrische Synthese. Als Fernziel der vorliegenden Arbeit wurde die erste Totalsynthese von (-) Elaeokanin C ausgewählt. Der Syntheseplan sieht zunächst den diastereoselektiven Aufbau eines optisch aktiven Schlüsselbausteins mit Naturstoff-Stereotriade im Sinne einer konvergenten ex-chiral-pool Synthese vor. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dies durch die Aza-Claisen-Umlagerung realisiert werden. Ausgehend von diesem Schlüsselbaustein wurden verschiedene Synthesewege verfolgt um sowohl das Substitutionsmuster der Seitenkette als auch das des Piperidinsegments vielfältig variieren zu können. Die Einführung der Seitenkette erwies sich durch vielfältige Nachbargruppeneffekte wie die unerwünschte 5-exo-trig Cyclisierung zu einem Pyrrolizidin Derivat als große Hürde. Eine geänderte Synthesestrategie mit einem schrittweisen Aufbau der Kette lieferte schließlich den Baustein, aus dem nun in wenigen Stufen das (-) Elaeokanin C sowie vielfältige Analoga herzustellen sein sollten.

Sintesi di molecole biologicamente attive con tecniche chemoenzimatiche:beta-lattami, profeni e alfa-amminoacidi non naturali

Il progetto di ricerca di questa tesi è stato focalizzato sulla sintesi di tre classi di molecole: β-lattami, Profeni e α-amminonitrili, utilizzando moderne tecniche di sintesi organica, metodologie ecosostenibili e strategie biocatalitiche. I profeni sono una categoria di antiinfiammatori molto diffusa e in particolare abbiamo sviluppato e ottimizzato una procedura in due step per ottenere (S)-Profeni da 2-arilpropanali raceme. Il primo step consiste in una bioriduzione delle aldeidi per dare i relativi (S)-2-Aril Propanoli tramite un processo DKR mediato dall’enzima Horse Liver Alcohol Dehydrogenase. Il secondo, l’ossidazione a (S)-Profeni, è promossa da NaClO2 e TEMPO come catalizzatore. Con lo scopo di migliorare il processo, in collaborazione con il gruppo di ricerca di Francesca Paradisi all’University College Dublino abbiamo immobilizzato l’enzima HLADH, ottenendo buone rese e una migliore enantioselettività. Abbiamo inoltre proposto un interessante approccio enzimatico per l’ossidazione degli (S)-2-Aril Propanoli utilizzando una laccasi da Trametes Versicolor. L’anello β-lattamico è un eterociclo molto importante, noto per essere un interessante farmacoforo. Abbiamo sintetizzato nuovi N-metiltio beta-lattami, che hanno mostrato un’attività antibatterica molto interessante contro ceppi resistenti di Staphilococcus Aureus prelevati da pazienti affetti da fibrosis cistica. Abbiamo poi coniugato gruppi polifenolici a questi nuovi β-lattami ottenendo molecule antiossidanti e antibatteriche, cioè con attività duale. Abbiamo poi sintetizzato un nuovo ibrido retinoide-betalattame che ha indotto differenziazione si cellule di neuroblastoma. Abbiamo poi sfruttato la reazione di aperture dell’anello monobattamico tramite enzimi idrolitici, con lo scopo di ottenere β-amminoacidi chirali desimmetrizzati come il monoestere dell’acido β–amminoglutammico. Per quando riguarda gli α-amminonitrili, è stato sviluppato un protocollo di Strecker. Le reazioni sono state molto efficienti utilizzando come fonte di cianuro l’acetone cianidrina in acqua, utilizzando differenti aldeidi e chetoni, ammine primarie e secondarie. Per mettere a punto una versione asimmetrica del protocollo, abbiamo usato ammine chirali con lo scopo di ottenere nuovi α-amminonitrili chirali.

Auxiliar-vermittelte stereoselektive Totalsynthese von neurotoxischen Tetraponerinen

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Strategie zur stereoselektiven Synthese von Tetraponerinen entwickelt. Hierzu wurde die Kohlenhydrat-Auxiliar gesteuerte Tandem-Mannich-Michael-Reaktion als Schlüsselschritt der Totalsynthese eingesetzt. Die synthetisierten Tetraponerine wurden in biologischen Prüfungen auf neurotoxische und insektizide Aktivität untersucht. Zur Darstellung von (+)-Tetraponerin-8 wurde zunächst ausgehend von trans-2-Octensäure in sieben linearen Stufen ein chiraler beta-Amino-Aldehydbaustein synthetisiert. Dieser wurde in einer Tandem-Mannich-Michael-Reaktion mit dem Auxiliar 2,3,4-Tri-O-pivaloyl-alpha-D-arabinopyranosylamin und dem Danishefsky-Dien zur Reaktion gebracht und lieferte stereoselektiv das entsprechende 2-substituierte N-Arabinosyl-dehydropiperidinon. Nach weiterer Umsetzung des Dehydropiperidinons konnte (+)-Tetraponerin-8 in einer Gesamtausbeute von 0.6 % über 17 lineare Stufen dargestellt werden. Der Ringschluss zum tricyclischen Aminal wurde alternativ auch über die Freisetzung eines cyclischen Acetals durch saure Hydrolyse durchgeführt. Diese Syntheseroute lieferte (+)-Tetraponerin-8 in einer Gesamtausbeute von 3 % über 19 lineare Stufen.rnrnUm den Einfluss eines Stereozentrums im Aldehyd auf den stereochemischen Verlauf der Tandem-Mannich-Michael-Reaktion zu untersuchen, wurde auch das spiegelbildliche Enantiomer des chiralen beta-Amino-Aldehydbausteins synthetisiert und zur Darstellung von N-Arabinosyl-dehydropiperidinon herangezogen. Hierbei ergab sich ein „mismatched“-Fall unter Bildung eines Diastereomeren-Gemisches im Verhältnis 2:1. Nach einer Cyclisierung über ein cyclisches Acetal konnte (+)-Tetraponerin-7 über 19 lineare Stufen in einer Gesamtausbeute von 0.6 % dargestellt werden. Darüber hinaus wurde auch die racemische Form von Tetraponerin-8 nach einer literaturbekannten Synthese dargestellt, um dessen biologische Wirksamkeit mit der der enantiomerenreinen Verbindung vergleichen zu können.

Microstructure of epitaxial thin films of the ferromagnetic shape memory alloy Ni 2 MnGa

Gegenstand dieser Arbeit ist die Präparation und die ausführliche Charakterisierung epitaktischer Dünnschicht-Proben der Heusler Verbindung Ni2MnGa. Diese intermetallische Verbindung zeigt einen magnetischen Formgedächtnis-Effekt (MFG), der sowohl im Bezug auf mögliche Anwendungen, als auch im Kontext der Grundlagenforschung äußerst interessant ist. In Einkristallen nahe der Stöchiometrie Ni2MnGa wurden riesige magnetfeldinduzierte Dehnungen von bis zu 10 % nachgewiesen. Der zugrundeliegende Mechanismus basiert auf einer Umverteilung von kristallographischen Zwillings-Varianten, die eine tetragonale oder orthorhombische Symmetrie besitzen. Unter dem Einfluss des Magnetfeldes bewegen sich die Zwillingsgrenzen durch den Kristall, was eine makroskopische Formänderung mit sich bringt. Die somit erzeugten reversiblen Längenänderungen können mit hoher Frequenz geschaltet werden, was Ni2MnGa zu einem vielversprechenden Aktuatorwerkstoff macht. rnDa der Effekt auf einem intrinsischen Prozess beruht, eignen sich Bauteile aus MFG Legierungen zur Integration in Mikrosystemen (z.B. im Bereich der Mikrofluidik). rnrnBislang konnten große magnetfeldinduzierte Dehnungen nur für Einkristalle und Polykristalle mit hoher Porosität („foams") nachgewiesen werden. Um den Effekt für Anwendungen nutzbar zu machen, werden allerdings Konzepte zur Miniaturisierung benötigt. Eine Möglichkeit bieten epitaktische dünne Filme, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und untersucht werden sollen. Im Fokus stehen dabei die Optimierung der Herstellungsparameter, sowie die Präparation von freitragenden Schichten. Zudem werden verschiedene Konzepte zur Herstellung freistehender Mikrostrukturen erprobt. Mittels Röntgendiffraktometrie konnte die komplizierte Kristallstruktur für verschiedene Wachstumsrichtungen verstanden und die genaue Verteilung der Zwillingsvarianten aufgedeckt werden. In Verbindung mit Mikroskopie-Methoden konnte so die Zwillingsstruktur auf verschiedenen Längenskalen geklärt werden. Die Ergebnisse erklären das Ausbleiben des MFG Effekts in den Proben mit (100) Orientierung. Andererseits wurde für Schichten mit (110) Wachstum eine vielversprechende Mikrostruktur entdeckt, die einen guten Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen bietet.rnDurch die spezielle Geometrie der Proben war es möglich, Spektroskopie-Experimente in Transmission durchzuführen. Die Ergebnisse stellen den ersten experimentellen Nachweis der Änderungen in der elektronischen Struktur einer metallischen Verbindung während des martensitischen Phasenübergangs dar. Durch Messen des magnetischen Zirkulardichroismus in der Röntgenabsorption konnten quantitative Aussagen über die magnetischen Momente von Ni und Mn getroffen werden. Die Methode erlaubt überdies die Beiträge von Spin- und Bahn-Moment separat zu bestimmen. Durch winkelabhängige Messungen gelang es, die mikroskopische Ursache der magnetischen Anisotropie aufzuklären. Diese Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis der komplexen magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Ni2MnGa bei.rn

Laboratory and field measurements of enantiomeric and non-enantiomeric biogenic VOCs and anthropogenic BTEX compounds

This doctoral thesis was focused on the investigation of enantiomeric and non-enantiomeric biogenic organic compound (BVOC) emissions from both leaf and canopy scales in different environments. In addition, the anthropogenic compounds benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes (BTEX) were studied. BVOCs are emitted into the lower troposphere in large quantities (ca. 1150 Tg C ·yr-1), approximately an order of magnitude greater than the anthropogenic VOCs. BVOCs are particularly important in tropospheric chemistry because of their impact on ozone production and secondary organic aerosol formation or growth. The BVOCs examined in this study were: isoprene, (-)/ (+)-α-pinene, (-)/ (+)-ß-pinene, Δ-3-carene, (-)/ (+)-limonene, myrcene, eucalyptol and camphor, as these were the most abundant BVOCs observed both in the leaf cuvette study and the ambient measurements. In the laboratory cuvette studies, the sensitivity of enantiomeric enrichment change from the leaf emission has been examined as a function of light (0-1600 PAR) and temperature (20-45°C). Three typical Mediterranean plant species (Quercus ilex L., Rosmarinus officinalis L., Pinus halepensis Mill.) with more than three individuals of each have been investigated using a dynamic enclosure cuvette. The terpenoid compound emission rates were found to be directly linked to either light and temperature (e.g. Quercus ilex L.) or mainly to temperature (e.g. Rosmarinus officinalis L., Pinus halepensis Mill.). However, the enantiomeric signature showed no clear trend in response to either the light or temperature; moreover a large variation of enantiomeric enrichment was found during the experiment. This enantiomeric signature was also used to distinguish chemotypes beyond the normal achiral chemical composition method. The results of nineteen Quercus ilex L. individuals, screened under standard conditions (30°C and 1000 PAR) showed four different chemotypes, whereas the traditional classification showed only two. An enclosure branch cuvette set-up was applied in the natural boreal forest environment from four chemotypes of Scots pine (Pinus sylvestris) and one chemotype of Norway spruce (Picea abies) and the direct emissions compared with ambient air measurements above the canopy during the HUMPPA-COPEC 2010 summer campaign. The chirality of a-pinene was dominated by (+)-enantiomers from Scots pine while for Norway spruce the chirality was found to be opposite (i.e. Abstract II (-)-enantiomer enriched) becoming increasingly enriched in the (-)-enantiomer with light. Field measurements over a Spanish stone pine forest were performed to examine the extent of seasonal changes in enantiomeric enrichment (DOMINO 2008). These showed clear differences in chirality of monoterpene emissions. In wintertime the monoterpene (-)-a-pinene was found to be in slight enantiomeric excess over (+)-a-pinene at night but by day the measured ratio was closer to one i.e. racemic. Samples taken the following summer in the same location showed much higher monoterpene mixing ratios and revealed a strong enantiomeric excess of (-)-a-pinene. This indicated a strong seasonal variance in the enantiomeric emission ratio which was not manifested in the day/night temperature cycles in wintertime. A clear diurnal cycle of enantiomeric enrichment in a-pinene was also found over a French oak forest and the boreal forest. However, while in the boreal forest (-)-a-pinene enrichment increased around the time of maximum light and temperature, the French forest showed the opposite tendency with (+)-a-pinene being favored. For the two field campaigns (DOMINO 2008 and HUMPPA-COPEC 2010), the BTEX were also investigated. For the DOMINO campaign, mixing ratios of the xylene isomers (meta- and para-) and ethylbenzene, which are all well resolved on the ß-cyclodextrin column, were exploited to estimate average OH radical exposures to VOCs from the Huelva industrial area. These were compared to empirical estimates of OH based on JNO2 measured at the site. The deficiencies of each estimation method are discussed. For HUMPPA-COPEC campaign, benzene and toluene mixing ratios can clearly define the air mass influenced by the biomass burning pollution plume from Russia.

Biologisch aktive Sekundärmetabolite aus Pflanzen und Pilzen : Phenanthro-Alkaloide ; phytotoxische Dioxolanone

Als Phenanthro-Alkaloide wird eine kleine Gruppe von pentacyclischen, auf dem Phenanthren-Strukturmotiv basierenden Indolizidinen sowie Chinolizidinen bezeichnet. Von Letztgenannten sind bisher fünf, von den homologen Phenanthroindolizidinen mehr als sechzig natürliche Vertreter gefunden worden. Das wohl bekannteste Alkaloid in dieser Gruppe ist das Indolizidin-Alkaloid Tylophorin, das beispielsweise aus Tylophora indica (Apocynaceae, "Hundsgiftgewächse") gewonnen werden kann. Tylophorin und verwandte Derivate besitzen potente biologische und physiologische Wirkungen. So entfalten sie sowohl antiinflammatorische als auch antineoplastische Effekte (wirksam auch bei MDR-Tumorzelllinien, MDR = "multi drug resistant").rnrnDas Ziel der vorliegenden Arbeit war es, neue Methoden zur Herstellung von Phenanthro-Alkaloiden und deren Derivaten zu entwickeln. Ausgehend von (S)-Prolin konnten sowohl (S)-(+)-Tylophorin (>99% ee) als auch ein bisher noch nicht beschriebenes Derivat, das sich durch eine deutlich geringere Lichtempfindlichkeit im Vergleich zu Tylophorin aus¬zeichnet, in 33%-iger Gesamtausbeute über neun lineare Stufen, hergestellt werden. Die Synthese von (R)-(-)-Tylophorin gelang in analoger Weise aus (R)-Prolin in 21%-iger Ausbeute (93% ee). Der Einsatz von Schutzgruppen war nicht notwendig.rnDer Schlüsselschritt ist in beiden Fällen eine Cyclisierung an eine C=N-Doppelbindung über freie Radikale, die bei der Synthese des neuen Derivats hochstereoselektiv zur Bildung des (13aS,14S) Diastereomers führt. Die Synthese von 7-Methoxycryptopleurin gelang durch eine ähnliche Synthesestrategie. rnrnZur Herstellung von Cryptopleurin ist zunächst ein neuer Syntheseweg für 9-(Hydroxymethyl)-2,3,6-trimethoxyphenanthren entwickelt worden. Dieser führt über den Aufbau eines Biphenylsystems durch palladiumkatalysierte Kreuzkupplung, eine anschließende COREY-FUCHS-Transformation und als Schlüsselschritt über eine Gold-NHC-Komplex katalysierte 6-endo-dig-Cyclisierung zum entsprechenden Phenanthren. Diese Ringschlussreaktion verläuft in gewünschter Weise regioselektiv unter Bildung des 2,3,6-trimethoxysubstituierten Phenanthrens. Die Bil¬dung des regioisomeren 2,3,8-Trimethoxyphenanthrens wird nicht beobachtet. Der Alkohol wird dann in fünf linearen Stufen (34%) in das Xanthogenat überführt, aus dem sich durch eine zweistufige Reaktionssequenz, bestehend aus einer Radikal¬cyclisierung nach ZARD und einer Reduktion mit LiAlH4 das extrem lichtempfindliche und hochtoxische Alkaloid (R)-(-)-Cryptopleurin gewinnen ließ (50%).rnNachdem beide Enantiomere und das Racemat von Tylophorin synthetisiert worden waren und zum Vergleich bereit standen, wurde Tylophorin aus Tylophora indica extrahiert. rnDie Motivation rührte unter anderem daher, dass in der bisherigen Literatur Unstimmigkeiten über das in der Natur vorkommende Enantiomer des Tylophorins herrschten. Vor Beginn dieser Arbeit ging man davon aus, dass in T. indica nur (R)-(-)-Tylophorin vorkommt und für die Diskrepanzen zwischen den berichteten Drehwerten von, aus Pflanzenmaterial isolierten und des synthetisierten Naturstoffs, dessen Zersetzung vor oder während der Messung verantwortlich ist. Dieser Effekt kann zwar auch beobachtet werden, jedoch trägt er nur in geringem Maße zur Erniederigung des Drehwertes bei. Schließlich sind Proben von synthetisiertem Tylophorin in gleichem Maße von der schnell eintretenden Oxidation des Alkaloids betroffen. Aus dem Rohextrakt ist Tylophorin durch RP-HPLC isoliert worden. Anschließend wurde die Probe mittels chiraler HPLC/MS analysiert. Durch den Vergleich mit den bereit stehenden synthetischen Proben von (R)- und (S)-Tylophorin konnte in dieser Arbeit erstmals experimentell belegt werden, dass es sich bei (−)-Tylophorin aus T. indica um ein scalemisches Gemisch im Verhältnis von 56:44 (R:S) handelt.rnrnDas Ziel dieses Teilprojektes war die Entwicklung einer Synthese für den bisher noch nicht synthetisch hergestellten phytotoxischen Sekundärmetabolit (+)-Phenguignardiasäure. Isoliert wurde diese Verbindung aus Guignardia bidwellii, dem Erreger der Schwarzfäule der Weinrebe. Die absolute Konfiguration des quartären Stereozentrums war zu Beginn dieser Arbeit nicht bekannt. Ausgehend von (R)-Phenylmilchsäure und 3-Phenylprop-2-in-1-ol gelang die Synthese beider Enantiomere des Dioxolanons in acht linearen Stufen. Sie liefert den experimentellen Beweis (ECD, Polarimetrie) für die (S)-Konfiguration von natürlicher (+)-Phenguignardiasäure.rnrn

Enantioselective capillary electrophoresis for identification and characterization of human cytochrome P450 enzymes which metabolize ketamine and norketamine in vitro

Ketamine, a phencyclidine derivative, is used for induction of anesthesia, as an anesthetic drug for short term surgical interventions and in subanesthetic doses for postoperative pain relief. Ketamine undergoes extensive hepatic first-pass metabolism. Enantioselective capillary electrophoresis with multiple isomer sulfated -cyclodextrin as chiral selector was used to identify cytochrome P450 enzymes involved in hepatic ketamine and norketamine biotransformation in vitro. The N-demethylation of ketamine to norketamine and subsequently the biotransformation of norketamine to other metabolites were studied via analysis of alkaline extracts of in vitro incubations of racemic ketamine and racemic norketamine with nine recombinantly expressed human cytochrome P450 enzymes and human liver microsomes. Norketamine was formed by CYP3A4, CYP2C19, CYP2B6, CYP2A6, CYP2D6 and CYP2C9, whereas CYP2B6 and CYP2A6 were identified to be the only enzymes which enable the hydroxylation of norketamine. The latter two enzymes produced metabolic patterns similar to those found in incubations with human liver microsomes. The kinetic data of ketamine N-demethylation with CYP3A4 and CYP2B6 were best described with the Michaelis-Menten model and the Hill equation, respectively. This is the first study elucidating the individual enzymes responsible for hydroxylation of norketamine. The obtained data suggest that in vitro biotransformation of ketamine and norketamine is stereoselective.

Enantioselective CE analysis of hepatic ketamine metabolism in different species in vitro

Ketamine, an injectable anesthetic and analgesic consisting of a racemic mixture of S-and R-ketamine, is routinely used in veterinary and human medicine. Nevertheless, metabolism and pharmacokinetics of ketamine have not been characterized sufficiently in most animal species. An enantioselective CE assay for ketamine and its metabolites in microsomal preparations is described. Racemic ketamine was incubated with pooled microsomes from humans, horses and dogs over a 3 h time interval with frequent sample collection. CE data revealed that ketamine is metabolized enantioselectively to norketamine (NK), dehydronorketamine and three hydroxylated NK metabolites in all three species. The metabolic patterns formed differ in production rates of the metabolites and in stereoselectivity of the hydroxylated NK metabolites. In vitro pharmacokinetics of ketamine N-demethylation were established by incubating ten different concentrations of racemic ketamine and the single enantiomers of ketamine for 8 min and data modeling was based on Michaelis-Menten kinetics. These data revealed a reduced intrinsic clearance of the S-enantiomer in the racemic mixture compared with the single S-enantiomer in human microsomes, no difference in equine microsomes and the opposite effect in canine microsomes. The findings indicate species differences with possible relevance for the use of single S-ketamine versus racemic ketamine in the clinic.

Effect of ketamine on the limb withdrawal reflex evoked by transcutaneous electrical stimulation in ponies anaesthetised with isoflurane

The purpose of this study was to evaluate the anti-nociceptive activity of ketamine and isoflurane in horses using a limb withdrawal reflex (WR) model. Single and repeated stimulations were applied to the digital nerve of the left forelimb in ponies anaesthetised with isoflurane before, during and after intravenous administration of racemic ketamine. Surface electromyographic activity was recorded from the deltoid muscle. Higher stimulation intensity was required to evoke a reflex during ketamine administration. Furthermore, the amplitudes of response to stimulations were significantly and dose-dependently depressed and a flattening of the stimulus-response curves was observed. The reflex activity recovered partially once the ketamine infusion finished. The results demonstrated that the limb WR can be used to quantify the temporal effect of ketamine on the sensory-motor processing in ponies anaesthetised with isoflurane.

Racemates revisited: heterochiral assemblies and the example of DL-thalidomide

The existence of racemic compounds, comprised of pairs of opposite enantiomers as discrete molecular entities, has been accepted for over a century. However, their ability to remain as associated dimers when in solution is uncertain, if not generally doubted. In this article, data has been assembled to provide evidence for the presence of intact dimeric heterochiral assemblies in solution and presents DL-thalidomide as a probable example of this phenomenon.

Inhibition of cytochrome P450 enzymes involved in ketamine metabolism by use of liver microsomes and specific cytochrome P450 enzymes from horses, dogs, and humans

To identify and characterize cytochrome P450 enzymes (CYPs) responsible for the metabolism of racemic ketamine in 3 mammalian species in vitro by use of chemical inhibitors and antibodies.

Enantioselective capillary electrophoresis for the assessment of CYP3A4-mediated ketamine demethylation and inhibition in vitro

Enantioselective CE with sulfated cyclodextrins as chiral selectors was used to determine the CYP3A4-catalyzed N-demethylation kinetics of ketamine to norketamine and its inhibition in the presence of ketoconazole in vitro. Ketamine, a chiral phencyclidine derivative, was incubated with recombinant human CYP3A4 from a baculovirus expression system as racemic mixture and as single enantiomer. Alkaline liquid/liquid extracts of the samples were analyzed with a pH 2.5 buffer comprising 50 mM Tris and phosphoric acid together with either multiple isomer sulfated β-cyclodextrin (10 mg/mL) or highly sulfated γ-cyclodextrin (2%, w/v). Data obtained in the absence of ketoconazole revealed that the N-demethylation occurred stereoselectively with Michaelis-Menten (incubation of racemic ketamine) and Hill (separate incubation of single enantiomers) kinetics. Data generated in the presence of ketoconazole as the inhibitor could best be fitted to a one-site competitive model and inhibition constants were calculated using the equation of Cheng and Prusoff. No stereoselective difference was observed, but inhibition constants for the incubation of racemic ketamine were found to be larger compared with those obtained with the incubation of single ketamine enantiomers.

Ketoprofen in piglets: enantioselective pharmacokinetics, pharmacodynamics and PK/PD modelling

The chiral pharmacokinetics and pharmacodynamics of ketoprofen were investigated in a placebo-controlled study in piglets after intramuscular administration of 6 mg/kg racemic ketoprofen. The absorption half-lives of both enantiomers were short, and S-ketoprofen predominated over R-ketoprofen in plasma. A kaolin-induced inflammation model was used to evaluate the anti-inflammatory, antipyretic and analgesic effects of ketoprofen. Skin temperatures increased after the kaolin injection, but the effect of ketoprofen was small. No significant antipyretic effects could be detected, but body temperatures tended to be lower in the ketoprofen-treated piglets. Mechanical nociceptive threshold testing was used to evaluate the analgesic effects. The piglets in the ketoprofen-treated group had significantly higher mechanical nociceptive thresholds compared to the piglets in the placebo group for 12-24 h following the treatment. Pharmacokinetic/pharmacodynamic modelling of the results from the mechanical nociceptive threshold testing gave a median IC(50) for S-ketoprofen of 26.7 mug/mL and an IC(50) for R-ketoprofen of 1.6 mug/mL. This indicates that R-ketoprofen is a more potent analgesic than S-ketoprofen in piglets. Estimated ED(50) for racemic ketoprofen was 2.5 mg/kg.