Synthese, biochemische und physikochemische Charakterisierung von Liganden der Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Die exzitatorische Neurotransmission erfolgt über ionotrope Glutamat-Rezeptoren von denen dem NMDA-(N-Methyl-D-aspartat)-Rezeptor durch seine hohe Leitfähigkeit für Ca2+-Ionen eine besondere Rolle zugesprochen wird. Bei seiner Überaktivierung kommt es zu exzitotoxischen Prozessen, die direkt mit neurodegenerativen Erkrankungen einhergehen und nach einem Schlaganfall, bei akuten Epilepsien, Morbus Parkinson, Alzheimer Demenz aber auch im Bereich der neuropathischen Schmerzentstehung eine wichtige Rolle spielen.rnDurch das Eingreifen in die glutamatvermittelten pathologischen Prozesse verspricht man sich daher die Möglichkeit einer Neuroprotektion bei der Therapie verschiedener neurodegenerativer Erkrankungen, die primär auf völlig unterschiedliche Ursachen zurückzuführen sind.rnAusgehend von in früheren Arbeiten synthetisierten Hydantoin-substituierten Dichlor-indol-2-carbonsäure-Derivaten, die hochaffine Eigenschaften zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors aufweisen, sollten neue Derivate entwickelt und untersucht werden, die hinsichtlich ihrer Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors, ihrer Pharmakokinetik sowie physikochemischen Parameter in präparativ-organischen, radiopharmazeutischen und zell- bzw. tierexperimentellen Studien in vitro sowie in vivo charakterisiert werden sollten. Von besonderem Interesse war dabei die Evaluierung der synthetisierten Verbindungen in einem Verdrängungsassay mit dem Radioliganden [3H]MDL105,519 mit dem der Einfluss der strukturellen Modifikationen auf die Affinität zur Glycin-Bindungsstelle des Rezeptors untersucht wurde, sowie die Selektivität und die Potenz der Liganden abgeschätzt wurde.rnIm Rahmen der Struktur-Wirkungs-Untersuchungen mit Hilfe der Bindungsexperimente konnten bestimmte Strukturmerkmale als essentiell herausgestellt bzw. bekräftigt werden. Die Testverbindungen zeigten dabei IC50-Werte im Bereich von 0,0028 bis 51,8 μM. Die entsprechenden Ester dagegen IC50-Werte von 23,04 bis >3000 μM. Als vielversprechende Strukturen mit Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich stellten sich Derivate mit einer 4,6-Dichlor-oder Difluor-Substitution am Indolgrundgerüst (2,8 bis 4,6 nM) heraus. Auch die Substitution des Phenylhydantoin-Teils durch das bioisostere Thienylhydantoin führte zu einer gleichbleibenden ausgeprägten Affinität (3,1 nM). rnZur Abschätzung der Bioverfügbarkeit, insbesondere der Fähigkeit zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke, wurden die Lipophilien bei einer Auswahl der Testverbindungen durch Bestimmung ihrer log P-Werte ermittelt. Neben dem Verfahren der potentiometrischen Titration wurde eine HPLC-Methode an einer RP-Phase verwendet.rnUm das Zytotoxizitätsprofil der synthetisierten Strukturen frühzeitig abschätzen zu können, wurde ein schnell durchführbares, zellbasiertes in vitro-Testsystem, der kommerziell erhältliche „Cell Proliferation Kit II (XTT-Test)“, eingesetzt. rnIm Rahmen von Positronen-Emissions-Tomographie-Experimenten an Ratten wurde eine Aussage bezüglich der Aufnahme und Verteilung eines radioaktiv markierten, hochaffinen Liganden an der Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors im Gehirn getroffen. Dabei wurden sowohl ein Carbonsäure-Derivat sowie der korrespondierende Ethylester dieser Testung unterworfen.rn

Synthese 18 F-markierter Liganden zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle des GABA A-Rezeptors mittels PET

γ-Aminobuttersäure (GABA) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem und bindet vorrangig an ionotrope GABAA-Rezeptoren. Diese sind an fast allen neuronalen Prozessen beteiligt und werden darüber hinaus mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Angstzuständen, Schlafstörungen und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die PET bietet als molekulares bildgebendes Verfahren die Möglichkeit einzelne Stoffwechselvorgänge des GABAergen Systems zu visualisieren und zu quantifizieren. Durch den Einsatz eines 18F-markierten Radioliganden an die GABA-Bindungsstelle könnten so die Rezeptorverfügbarkeit des GABAA-Rezeptors gemessen und die Ausschüttung des Neurotransmitters GABA quantifiziert werden.rn4-(2-Naphthylmethyl)-5-(piperidin-4-yl)isothiazolole und -isoxazolole stellen aufgrund ihrer hohen Affinität gegenüber der GABA-Bindungsstelle und ihrer lipophilen Struktur vielversprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines PET-Tracers zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle dar. Daher wurden zunächst 19F-substituierte Referenzverbindungen synthetisiert, um diese hinsichtlich ihrer Eignung als Radioligand in in vitro-Studien zu evaluieren. Dazu wurde Fluor direkt sowie über eine Fluorethoxygruppe an Position 1 des Naphthalinrings eingeführt. Zusätzlich wurde ein Fluorethylether eines Isothiazolols als Referenz-verbindung synthetisiert. In anschließenden Verdrängungsstudien wurden die Affinitäten der synthetisierten Verbindungen mit [3H]Muscimol an Membranpräparaten aus Rattenhirnen, sowie transfizierten HEK293-Zellen bestimmt. Zusätzlich wurden die entsprechenden Log D-Werte bestimmt. Die Verbindung 5-(piperidin-4-yl)-4-(1-fluornaphth-2-ylmethyl)-isothiazol-3-ol VK5 zeigte in den in vitro-Studien die vielversprechendsten Ergebnisse (IC50 = 10 nM; Log D = 1,7) und wurde im Folgenden in einer dreistufigen Radiosynthese als 18F-Verbindung synthetisiert.rnZu diesem Zweck wurde ein geeigneter Markierungsvorläufer dargestellt und über eine n.c.a. SNAr-Markierung mit [18F]F- umgesetzt. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionszeit, -temperatur, Basenkonzentration und Lösungsmittel optimiert. Die zur Aktivierung einer SNAr ein-geführte Carbonylfunktion wurde in einem zweiten Schritt mit Triethylsilan/Trifluoressigsäure reduziert. Im finalen Schritt wurden zwei Schutzgruppen mit Bortrichlorid in DCM abgespaltet und [18F]VK5 als injektionsfertige Lösung in isotoner NaCl-Lösung erhalten. Es wurden radiochemische Ausbeuten von 0,7-1 % (EOS) nach einer durchschnittlichen Synthesedauer von 275 Minuten erhalten.rnDer Radioligand [18F]VK5 wurde anschließend in Autoradiographie-Versuchen an Hirnschnitten der Ratte hinsichtlich seiner Spezifität für die GABA-Bindungsstelle untersucht. Die unspezifische Bindung wurde durch die Zugabe von GABA bestimmt wonach kein signifikanter Unterschied festgestellt werden konnte. Die hohe unspezifische Bindung kann möglicherweise auf die niedrigen spezifischen Aktivitäten zurückgeführt werden. Diese lagen, bedingt durch die drei Schritte der Radiosynthese, in einem Bereich von 0,1-0,6 GBq/μmol. Die erhaltenen Ergebnisse lassen für zukünftige Versuche noch einige Optimierungsmöglichkeiten offen. Aufgrund der bisher erhaltenen Daten lässt sich daher keine definitive Aussage über die Eignung des Liganden [18F]VK5 als PET-Tracer treffen.rn

Design of multifunctional magnetic nanomaterials for biomedical applications

Diese Arbeit ist ein Beitrag zu den schnell wachsenden Forschungsgebieten der Nano-Biotechnologie und Nanomedizin. Sie behandelt die spezifische Gestaltung magnetischer Nanomaterialien für verschiedene biomedizinische Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Kontrastmittel für die magnetische Resonanztomographie (MRT) oder "theragnostische" Agenzien für simultane optische/MR Detektion und Behandlung mittels photodynamischer Therapie (PDT).rnEine Vielzahl magnetischer Nanopartikel (NP) mit unterschiedlichsten magnetischen Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert und erschöpfend charakterisiert. Darüber hinaus wurde eine ganze Reihe von Oberflächenmodifizierungsstrategien entwickelt, um sowohl die kolloidale als auch die chemische Stabilität der Partikel zu verbessern, und dadurch den hohen Anforderungen der in vitro und in vivo Applikation gerecht zu werden. Diese Strategien beinhalteten nicht nur die Verwendung bi-funktionaler und multifunktioneller Polymerliganden, sondern auch die Kondensation geeigneter Silanverbindungen, um eine robuste, chemisch inerte und hydrophile Siliziumdioxid- (SiO2) Schale um die magnetischen NP auszubilden.rnGenauer gesagt, der Bildungsmechanismus und die magnetischen Eigenschaften monodisperser MnO NPs wurden ausgiebig untersucht. Aufgrund ihres einzigartigen magnetischen Verhaltens eignen sich diese NPs besonders als (positive) Kontrastmittel zur Verkürzung der longitudinalen Relaxationszeit T1, was zu einer Aufhellung im entsprechenden MRT-Bild führt. Tatsächlich wurde dieses kontrastverbessernde Potential in mehreren Studien mit unterschiedlichen Oberflächenliganden bestätigt. Au@MnO „Nanoblumen“, auf der anderen Seite, sind Vertreter einer weiteren Klasse von Nanomaterialien, die in den vergangenen Jahren erhebliches Interesse in der wissenschaftlichen Welt geweckt hat und oft „Nano-hetero-Materialien“ genannt wird. Solche Nano-hetero-partikel vereinen die individuellen physikalischen und chemischen Eigenschaften der jeweiligen Komponenten in einem nanopartikulärem System und erhöhen dadurch die Vielseitigkeit der möglichen Anwendungen. Sowohl die magnetischen Merkmale von MnO, als auch die optischen Eigenschaften von Au bieten die Möglichkeit, diese „Nanoblumen“ für die kombinierte MRT und optische Bildgebung zu verwenden. Darüber hinaus erlaubt das Vorliegen zweier chemisch unterschiedlicher Oberflächen die gleichzeitige selektive Anbindung von Katecholliganden (auf MnO) und Thiolliganden (auf Au). Außerdem wurde das therapeutische Potential von magnetischen NPs anhand von MnO NPs demonstriert, die mit dem Photosensibilisator Protoporhyrin IX (PP) funktionalisiert waren. Bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht initiiert PP die Produktion von zytotoxisch-reaktivem Sauerstoff. Wir zeigen, dass Nierenkrebszellen, die mit PP-funktionalisierten MnO NPs inkubiert wurden nach Bestrahlung mit Laserlicht verenden, während sie ohne Bestrahlung unverändert bleiben. In einem ähnlichen Experiment untersuchten wir die Eigenschaften von SiO2 beschichteten MnO NPs. Dafür wurde eigens eine neuartige SiO2-Beschichtungsmethode entwickelt, die einer nachfolgende weitere Anbindung verschiedenster Liganden und die Einlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen durch herkömmliche Silan- Sol-Gel Chemie erlaubt. Die Partikel zeigten eine ausgezeichnete Stabilität in einer ganzen Reihe wässriger Lösungen, darunter auch physiologische Kochsalzlösung, Pufferlösungen und humanes Blutserum, und waren weniger anfällig gegenüber Mn-Ionenauswaschung als einfache PEGylierte MnO NPs. Des Weiteren konnte bewiesen werden, dass die dünne SiO2 Schicht nur einen geringen Einfluss auf das magnetische Verhalten der NPs hatte, so dass sie weiterhin als T1-Kontrastmittel verwendet werden können. Schließlich konnten zusätzlich FePt@MnO NPs hergestellt werden, welche die individuellen magnetischen Merkmale eines ferromagnetischen (FePt) und eines antiferromagnetischen (MnO) Materials vereinen. Wir zeigen, dass wir die jeweiligen Partikelgrößen, und damit das resultierende magnetische Verhalten, durch Veränderung der experimentellen Parameter variieren können. Die magnetische Wechselwirkung zwischen beiden Materialien kann dabei auf Spinkommunikation an der Grenzfläche zwischen beiden NP-Sorten zurückgeführt werden.rn

A comparative assessment by optical coherence tomography of the performance of the first and second generation of the everolimus-eluting bioresorbable vascular scaffolds

The first generation of the everolimus-eluting bioresorbable vascular scaffold (BVS 1.0) showed an angiographic late loss higher than the metallic everolimus-eluting stent Xience V due to scaffold shrinkage. The new generation (BVS 1.1) presents a different design and manufacturing process than the BVS 1.0. This study sought to evaluate the differences in late shrinkage, neointimal response, and bioresorption process between these two scaffold generations using optical coherence tomography (OCT).

Synthesis of the Sugar Building Block of Bicyclo-RNA

We present the novel synthesis of two sugar units that are central intermediates for the formation of members of the bicyclo-DNA and -RNA family. The synthesis starts from commercially available 1,2: 5,6-di-O-isopropylidene-alpha-D-glucofuranose. The key step involves the elaboration of a carbocyclic ring in a furanoside by rhodium(I)-catalyzed hydroacylation. Via this pathway, one of the sugar units is available in 8 steps and in an overall yield of 27%, while its deoxy derivative is obtained in 11 steps, which is 5 steps fewer than in our previous synthesis of this compound.

Electrospun PLLA nanofiber scaffolds and their use in combination with BMP-2 for reconstruction of bone defects

Introduction Adequate migration and differentiation of mesenchymal stem cells is essential for regeneration of large bone defects. To achieve this, modern graft materials are becoming increasingly important. Among them, electrospun nanofiber scaffolds are a promising approach, because of their high physical porosity and potential to mimic the extracellular matrix (ECM). Materials and Methods The objective of the present study was to examine the impact of electrospun PLLA nanofiber scaffolds on bone formation in vivo, using a critical size rat calvarial defect model. In addition we analyzed whether direct incorporation of bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) into nanofibers could enhance the osteoinductivity of the scaffolds. Two critical size calvarial defects (5 mm) were created in the parietal bones of adult male Sprague-Dawley rats. Defects were either (1) left unfilled, or treated with (2) bovine spongiosa, (3) PLLA scaffolds alone or (4) PLLA/BMP-2 scaffolds. Cranial CT-scans were taken at fixed intervals in vivo. Specimens obtained after euthanasia were processed for histology, histomorphometry and immunostaining (Osteocalcin, BMP-2 and Smad5). Results PLLA scaffolds were well colonized with cells after implantation, but only showed marginal ossification. PLLA/BMP-2 scaffolds showed much better bone regeneration and several ossification foci were observed throughout the defect. PLLA/BMP-2 scaffolds also stimulated significantly faster bone regeneration during the first eight weeks compared to bovine spongiosa. However, no significant differences between these two scaffolds could be observed after twelve weeks. Expression of osteogenic marker proteins in PLLA/BMP-2 scaffolds continuously increased throughout the observation period. After twelve weeks osteocalcin, BMP-2 and Smad5 were all significantly higher in the PLLA/BMP-2 group than in all other groups. Conclusion Electrospun PLLA nanofibers facilitate colonization of bone defects, while their use in combination with BMP-2 also increases bone regeneration in vivo and thus combines osteoconductivity of the scaffold with the ability to maintain an adequate osteogenic stimulus.

Functionalisation of PLLA nanofiber scaffolds using a possible cooperative effect between collagen type I and BMP-2: impact on colonization and bone formation in vivo

The reconstruction of large bone defects after injury or tumor resection often requires the use of bone substitution. Artificial scaffolds based on synthetic biomaterials can overcome disadvantages of autologous bone grafts, like limited availability and donor side morbidity. Among them, scaffolds based on nanofibers offer great advantages. They mimic the extracellular matrix, can be used as a carrier for growth factors and allow the differentiation of human mesenchymal stem cells. Differentiation is triggered by a series of signaling processes, including integrin and bone morphogenetic protein (BMP), which act in a cooperative manner. The aim of this study was to analyze whether these processes can be remodeled in artificial poly-(l)-lactide acid (PLLA) based nanofiber scaffolds in vivo. Electrospun matrices composed of PLLA-collagen type I or BMP-2 incorporated PLLA-collagen type I were implanted in calvarial critical size defects in rats. Cranial CT-scans were taken 4, 8 and 12 weeks after implantation. Specimens obtained after euthanasia were processed for histology and immunostainings on osteocalcin, BMP-2 and Smad5. After implantation the scaffolds were inhomogeneously colonized and cells were only present in wrinkle- or channel-like structures. Ossification was detected only in focal areas of the scaffold. This was independent of whether BMP-2 was incorporated in the scaffold. However, cells that migrated into the scaffold showed an increased ratio of osteocalcin and Smad5 positive cells compared to empty defects. Furthermore, in case of BMP-2 incorporated PLLA-collagen type I scaffolds, 4 weeks after implantation approximately 40 % of the cells stained positive for BMP-2 indicating an autocrine process of the ingrown cells. These findings indicate that a cooperative effect between BMP-2 and collagen type I can be transferred to PLLA nanofibers and furthermore, that this effect is active in vivo. However, this had no effect on bone formation. The reason for this seems to be an unbalanced colonization of the scaffolds with cells, due to insufficient pore size.

Generation and analysis of a mouse intestinal metatranscriptome through Illumina based RNA-sequencing

With the advent of high through-put sequencing (HTS), the emerging science of metagenomics is transforming our understanding of the relationships of microbial communities with their environments. While metagenomics aims to catalogue the genes present in a sample through assessing which genes are actively expressed, metatranscriptomics can provide a mechanistic understanding of community inter-relationships. To achieve these goals, several challenges need to be addressed from sample preparation to sequence processing, statistical analysis and functional annotation. Here we use an inbred non-obese diabetic (NOD) mouse model in which germ-free animals were colonized with a defined mixture of eight commensal bacteria, to explore methods of RNA extraction and to develop a pipeline for the generation and analysis of metatranscriptomic data. Applying the Illumina HTS platform, we sequenced 12 NOD cecal samples prepared using multiple RNA-extraction protocols. The absence of a complete set of reference genomes necessitated a peptide-based search strategy. Up to 16% of sequence reads could be matched to a known bacterial gene. Phylogenetic analysis of the mapped ORFs revealed a distribution consistent with ribosomal RNA, the majority from Bacteroides or Clostridium species. To place these HTS data within a systems context, we mapped the relative abundance of corresponding Escherichia coli homologs onto metabolic and protein-protein interaction networks. These maps identified bacterial processes with components that were well-represented in the datasets. In summary this study highlights the potential of exploiting the economy of HTS platforms for metatranscriptomics.

RNA degradation differentially affects quantitative mRNA measurements of endogenous reference genes in human placenta

It has been highlighted that RNA quality and appropriate reference gene selection is crucial for the interpretation of RT-qPCR results in human placental samples. In this context we investigated the effect of RNA degradation on the mRNA abundance of seven frequently used reference genes in 119 human placental samples. Combining RNA integrity measurements, RT-qPCR analysis and mathematical modeling we found major differences regarding the effect of RNA degradation on the measured expression levels between the different reference genes. Furthermore, we demonstrated that a modified RNA extraction method significantly improved RNA quality and consequently increased transcript levels of all reference genes.

Enhancing sealing of fetal membrane defects using tissue engineered native amniotic scaffolds in the rabbit model

OBJECTIVE: The purpose of this study was to compare the efficacy of native engineered amniotic scaffolds (AS) and polyesterurethane scaffolds (DegraPol) and document wound healing response when sealing iatrogenic fetal membrane defects in the rabbit model. STUDY DESIGN: Native AS were engineered from freshly harvested membranes of 23 days' gestational age (GA; term = 31-2 d). Acellularity of AS was assessed by histology, light and scanning electron microscopy. Fetal membrane defects were created by 14 gauge-needle puncture at GA 23 days and primarily closed with AS (n = 10) or DegraPol (n = 10) or left unclosed (positive controls; n = 10). Sixty-one sacs served as negative controls. At GA 30 days a second look hysterotomy was performed to assess presence of amniotic fluid (AF) and harvest plugging sites for microscopic evaluation. RESULTS: Engineered AS had a cell-free collagenous fiber network. AF was significantly higher only in the DegraPol group (78%; P < .05) compared to the AF in positive controls (17%). Integration of plugs in the fetal membrane defect was better with AS than DegraPol, with higher reepithelialization rates (AS: 52.5% +/- 6.5%; DegraPol: 11.6% +/- 2.6%; P < .001) and proliferation indices (AS: 0.47 +/- 0.03; DegraPol: 0.28 +/- 0.04; P = .001). In both treatment groups, cell proliferation in the myometrium was increased (P < .05). CONCLUSION: Native AS seal iatrogenic fetal membrane defects better than DegraPol. Within a week, there is abundant reepithelilization and minimal local inflammation. This yields the proof of principle that engineered native, amniotic membrane scaffolds enhance fetal membrane wound healing response.