In vitro modulation of epileptiform activity in the hippocampal formation of immature rodents by GABAergic antagonists, dopamine and methylxanthines

Während des frühen Lebens stellen epileptische Anfälle schwere neurologische Zustände dar, weil sie ein großer Risikofaktor für die Manifestation der Epilepsie sind und eine hohe pharmakologische Resistenz zeigen. In meiner Doktorarbeit konzentrierte ich mich auf die Frage, wie verschiedene Neurotransmitter-Systeme und klinisch verwendete Medikamente epileptiforme Entladungen im perinatalen Hippocampus beeinflussen. rnIm ersten Teil meines Projektes untersuchte ich die Wirkung von GABA-Antagonisten und Modulatoren, die zwischen phasischen und tonischen GABAergen Strömen differenzieren, auf Feldpotentialaktivität in Hippocampusschnitten. Diese Experimente zeigten, dass im unreifen Hippocampus synaptische GABAerge Aktivität benötigt wird, um die Erregbarkeit zu begrenzen, während tonische GABAerge Ströme die Erregbarkeit verstärken können. Dies könnte darauf hinweisen, dass Antiepileptika mit einer höheren Spezifität für synaptische GABAA-Rezeptoren wirksamer zur Behandlung von epileptischen Anfällen bei Neugeborenen sein können. rnUm den Einfluss von Dopamin auf die Erregbarkeit des unreifen Hippocampus herauszufinden, untersuchte ich im zweiten Teil meiner Arbeit die Wirkung von verschiedenen Dopaminkonzentrationen und spezifische Agonisten und Antagonisten der Dopamin-Rezeptor-Subtypen auf epileptiforme Entladungen. Diese Experimente zeigten, dass niedrige Dopamin Konzentrationen eine antikonvulsive Wirkung haben, welche vom D2-ähnliche-Rezeptor-Agonisten Quinpirol nachgeahmt werden kann, während höhere Dopamin-Konzentrationen eine prokonvulsive Wirkung über Aktivierung von D1-ähnlichen Rezeptoren hervorrufen. Obwohl unsere Untersuchungen eine mögliche Verwendung von D2-ähnlichen Rezeptor-Agonisten zur Kontrolle epileptischer Anfälle in Neugeborenen nahelegen, müssen mögliche negative Auswirkungen von DAergen Agonisten und Antagonisten auf die neuronale Entwicklung berücksichtigt werden.rnIm dritten Teil meiner Arbeit untersuchte ich welche Konzentrationen von Methylxanthinen epileptische Anfälle in Hippocampuspreparationen auslösen die synaptische Übertragungen verändern können. Diese Experimente zeigten, dass sowohl Theophyllin als auch Koffein in höheren Konzentrationen die basale synaptische Übertragungen in der CA1-Region des Hippocampus modifizieren und epileptiforme Entladungen provozieren. Die Auswirkungen auf die postsynaptischen Antworten und spontanen epileptiformen Entladungen durch Koffein waren weniger ausgeprägt, was darauf hindeutet, dass diese Substanz potentiell vorteilhafter für therapeutische Anwendungen bei Frühgeborenen sein kann. rnZusammenfassend bereichern die Ergebnisse meiner Studie erheblich unser Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen epileptiformer Aktivität im unreifen Hippocampus und den therapeutischen Einsatz von Methylxanthinen und Pharmaka, die auf das GABAerge und DArge System einwirken.rnrn

Einfluss von Hilfsstoffen auf die Bioverfügbarkeit von Substanzen der BCS Klasse III

In dieser Arbeit wurde der Effekt verschiedener Hilfsstoffe auf die Permeabilität von Substanzen der BCS Klasse III untersucht. Drei pharmazeutische Hilfsstoffe wurden hinsichtlich der Möglichkeit ihres Einsatzes als Permeationsverbesserer in Arzneistoffformulierungen untersucht. Außerdem wurde die Beteiligung von Gallensalzen an der Nahrungsmittel-Interaktion von Trospium untersucht.rnEs wurden Komplexe aus Trospium und λ-Carrageen hergestellt. Eine verbesserte Permeation, die höchstwahrscheinlich durch Mukoadhäsion zustande kam, war im Ussing-Kammer-Modell sehr gut reproduzierbar. In vivo war der Effekt nur bei einigen Tieren zu sehen und es kam zu hohen Standardabweichungen.rnTrospium bildet Ionenpaare mit Gallensalzen, welche zu einer besseren Permeabilität des Wirkstoffes führten. In Gegenwart von Nahrungsfetten blieb dieser Effekt aus. Eine Beteiligung der Interaktion von Trospium und Gallensalzen am Food-Effekt kann auf Basis dieser Ergebnisse als wahrscheinlich gelten.rnIm Caco-2-Modell konnte bereits eine Verbesserung der Permeabilität von Trospium durch Zusatz von Eudragit E gezeigt werden. Nun konnte gezeigt werden, dass durch den Hilfsstoff auch in vivo in Ratten eine verbesserte Permeation erreicht werden kann.rnDie Permeationsverbesserung von Aciclovir durch Zusatz von Chitosan-HCl sollte untersucht werden. Im Caco-2-Modell kam es zu einer signifikanten Permeationsverbesserung. Im Ussing-Kammer-Modell wurde die Permeation nicht verbessert. In Loop-Studien konnte nur bei hohen Hilfsstoff-Konzentrationen eine Tendenz zur Permeationsverbesserung erkannt werden.rn

Species specific nitrogen isotope analysis by NanoSIMS

Der atmosphärische Kreislauf reaktiver Stickstoffverbindungen beschäftigt sowohl die Naturwissenschaftler als auch die Politik. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass reaktive Stickoxide die Bildung von bodennahem Ozon kontrollieren. Reaktive Stickstoffverbindungen spielen darüber hinaus als gasförmige Vorläufer von Feinstaubpartikeln eine wichtige Rolle und der Transport von reaktivem Stickstoff über lange Distanzen verändert den biogeochemischen Kohlenstoffkreislauf des Planeten, indem er entlegene Ökosysteme mit Stickstoff düngt. Die Messungen von stabilen Stickstoffisotopenverhältnissen (15N/14N) bietet ein Hilfsmittel, welches es erlaubt, die Quellen von reaktiven Stickstoffverbindungen zu identifizieren und die am Stickstoffkeislauf beteiligten Reaktionen mithilfe ihrer reaktionsspezifischen Isotopenfraktionierung genauer zu untersuchen. rnIn dieser Doktorarbeit demonstriere ich, dass es möglich ist, mit Hilfe von Nano-Sekundärionenmassenspektrometrie (NanoSIMS) verschiedene stickstoffhaltige Verbindungen, die üblicherweise in atmosphärischen Feinstaubpartikeln vorkommen, mit einer räumlichen Auflösung von weniger als einem Mikrometer zu analysieren und zu identifizieren. Die Unterscheidung verschiedener stickstoffhaltiger Verbindungen erfolgt anhand der relativen Signalintensitäten der positiven und negativen Sekundärionensignale, die beobachtet werden, wenn die Feinstaubproben mit einem Cs+ oder O- Primärionenstrahl beschossen werden. Die Feinstaubproben können direkt auf dem Probenahmesubstrat in das Massenspektrometer eingeführt werden, ohne chemisch oder physikalisch aufbereited zu werden. Die Methode wurde Mithilfe von Nitrat, Nitrit, Ammoniumsulfat, Harnstoff, Aminosären, biologischen Feinstaubproben (Pilzsporen) und Imidazol getestet. Ich habe gezeigt, dass NO2 Sekundärionen nur beim Beschuss von Nitrat und Nitrit (Salzen) mit positiven Primärionen entstehen, während NH4+ Sekundärionen nur beim Beschuss von Aminosäuren, Harnstoff und Ammoniumsalzen mit positiven Primärionen freigesetzt werden, nicht aber beim Beschuss biologischer Proben wie z.B. Pilzsporen. CN- Sekundärionen werden beim Beschuss aller stickstoffhaltigen Verbindungen mit positiven Primärionen beobachtet, da fast alle Proben oberflächennah mit Kohlenstoffspuren kontaminiert sind. Die relative Signalintensität der CN- Sekundärionen ist bei kohlenstoffhaltigen organischen Stickstoffverbindungen am höchsten.rnDarüber hinaus habe ich gezeigt, dass an reinen Nitratsalzproben (NaNO3 und KNO3), welche auf Goldfolien aufgebracht wurden speziesspezifische stabile Stickstoffisotopenverhältnisse mithilfe des 15N16O2- / 14N16O2- - Sekundärionenverhältnisses genau und richtig gemessen werden können. Die Messgenauigkeit auf Feldern mit einer Rastergröße von 5×5 µm2 wurde anhand von Langzeitmessungen an einem hausinternen NaNO3 Standard als ± 0.6 ‰ bestimmt. Die Differenz der matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung zwischen NaNO3 und KNO3 betrug 7.1 ± 0.9 ‰. 23Na12C2- Sekundärionen können eine ernst zu nehmende Interferenz darstellen wenn 15N16O2- Sekundärionen zur Messung des nitratspezifischen schweren Stickstoffs eingesetzt werden sollen und Natrium und Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel als interne Mischung vorliegt oder die natriumhaltige Probe auf einem kohlenstoffhaltigen Substrat abgelegt wurde. Selbst wenn, wie im Fall von KNO3, keine derartige Interferenz vorliegt, führt eine interne Mischung mit Kohlenstoff im selben Feinstaubpartikel zu einer matrixspezifischen instrumentellen Massenfraktionierung die mit der folgenden Gleichung beschrieben werden kann: 15Nbias = (101 ± 4) ∙ f − (101 ± 3) ‰, mit f = 14N16O2- / (14N16O2- + 12C14N-). rnWird das 12C15N- / 12C14N- Sekundärionenverhältnis zur Messung der stabilen Stickstoffisotopenzusammensetzung verwendet, beeinflusst die Probematrix die Messungsergebnisse nicht, auch wenn Stickstoff und Kohlenstoff in den Feinstaubpartikeln in variablen N/C–Verhältnissen vorliegen. Auch Interferenzen spielen keine Rolle. Um sicherzustellen, dass die Messung weiterhin spezifisch auf Nitratspezies eingeschränkt bleibt, kann eine 14N16O2- Maske bei der Datenauswertung verwendet werden. Werden die Proben auf einem kohlenstoffhaltigen, stickstofffreien Probennahmesubstrat gesammelt, erhöht dies die Signalintensität für reine Nitrat-Feinstaubpartikel.

Formation of caries-like lesions in vitro on the root surfaces of human teeth in solutions simulating plaque fluid

Lesion formation on root surfaces of human posterior teeth was studied in acetate/lactate buffers with a background electrolyte composition based on plaque fluid analyses. Lesion depth after 28 days at 37 degrees C was measured in relation to: the presence or absence of cementum; the concentration of undissociated buffer; the presence or absence of magnesium ions at plaque fluid concentration. Each factor was evaluated at several values of -log(ion activity product for hydroxyapatite): pI(HA). Solutions were formulated to minimize variation in pH, which varied by < or =0.03 for a given comparison (individual pI(HA)) and by 0.42-0.82 over the range of pI(HA) within experiments. Lesions on surfaces from which cementum had been ground were significantly deeper than on intact surfaces, but this is considered to be due to subsurface mechanical damage and not to a solubility difference. Neither the concentration of undissociated buffer nor the presence of magnesium ions significantly affected lesion depth. Lesion depth was strongly influenced by the correlated variations in pI(HA) and pH. At pI(HA) 54 and 55, only extremely shallow lesions formed. From pI(HA) 56, lesion depth increased with increasing pI(HA). The results confirm that the solubility of the mineral of root tissues is higher than that of hydroxyapatite, but indicate that it is probably lower than suggested by Hoppenbrouwers et al. [Arch Oral Biol 1987;32:319-322]. For calcium concentrations of 3-12 mM, the critical pH for root tissue mineral was calculated as 5.22-5.66 assuming solubility equivalent to pI(HA) 54 and 5.08-5.51 assuming pI(HA) 55.

Molecular Charge-Transfer Cross Sections and Their Correlation with Reactant Ion Structures

Charge-transfer cross sections have been obtained by using time-of-flight techniques, and results correlated with reaction energetics and theoretical structures computed by self-consistent field-molecular orbital methods. Ion recombination energies, structures, heats of formation, reaction energy defects, and 3.0-keV charge-transfer cross sections are presented for reactions of molecular and fragment ions produced by electron bombardment ionization of CH30CH, and CH$l molecules. Relationships between experimental cross sections and reaction energetics involving different ion structures are discussed.

Comparison of Model Chemistry and Density Functional Theory Thermochemical Predictions with Experiment for Formation of Ionic Clusters of the Ammonium Cation Complexed with Water and Ammonia; Atmospheric Implications

The G2, G3, CBS-QB3, and CBS-APNO model chemistry methods and the B3LYP, B3P86, mPW1PW, and PBE1PBE density functional theory (DFT) methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for ionic clusters of the ammonium ion complexed with water and ammonia. Results for the clusters NH4+(NH3)n and NH4+(H2O)n, where n = 1−4, are reported in this paper and compared against experimental values. Agreement with the experimental values for ΔH° and ΔG° for formation of NH4+(NH3)n clusters is excellent. Comparison between experiment and theory for formation of the NH4+(H2O)n clusters is quite good considering the uncertainty in the experimental values. The four DFT methods yield excellent agreement with experiment and the model chemistry methods when the aug-cc-pVTZ basis set is used for energetic calculations and the 6-31G* basis set is used for geometries and frequencies. On the basis of these results, we predict that all ions in the lower troposphere will be saturated with at least one complete first hydration shell of water molecules.

Sensitivity of charge transfer reactions to hydrocarbon ion structures

Charge transfer reactivities of hydrocarbon ions have been measured with time-of-flight techniques, and results correlated with theoretical structures computed by self-consistent field molecular orbital methods. Recombination energies, ion structures, heats of formation, reaction energetics and relative charge transfer cross-sections are presented for molecular and fragment ions produced by electron bombardment ionization of CH4, C2H4, C2H6, C3H8 and C4H10 molecules. Even-electron bridged cations have low ion recombination energies and relatively low charge transfer cross-sections as compared with odd-electron hydrocarbon cations.

Comparison of CBS-QB3, CBS-APNO, G2, and G3 thermochemical predictions with experiment for formation of ionic clusters of hydronium and hydroxide ions complexed with water

The GAUSSIAN 2, GAUSSIAN 3, complete basis set-QB3, and complete basis set-APNO methods have been used to calculate ΔH∘ and ΔG∘ values for ionic clusters of hydronium and hydroxide ions complexed with water. Results for the clusters H3O+(H2O)n andOH−(H2O)n, where n=1–4 are reported in this paper, and compared against experimental values contained in the National Institutes of Standards and Technology (NIST) database. Agreement with experiment is excellent for the three ab initio methods for formation of these clusters. The high accuracy of these methods makes them reliable for calculating energetics for the formation of ionic clusters containing water. In addition this allows them to serve as a valuable check on the accuracy of experimental data reported in the NIST database, and makes them useful tools for addressing unresolved issues in atmospheric chemistry.

Hydration of the Bisulfate Ion: Atmospheric Implications

Using molecular dynamics configurational sampling combined with ab initio energy calculations, we determined the low energy isomers of the bisulfate hydrates. We calculated the CCSD(T) complete basis set (CBS) binding electronic and Gibbs free energies for 53 low energy isomers of HSO4–(H2O)n=1–6 and derived the thermodynamics of adding waters sequentially to the bisulfate ion and its hydrates. Comparing the HSO4–/H2O system to the neutral H2SO4/H2O cluster, water binds more strongly to the anion than it does to the neutral molecules. The difference in the binding thermodynamics of HSO4–/H2O and H2SO4/H2O systems decreases with increasing number of waters. The thermodynamics for the formation of HSO4–(H2O)n=1–5 is favorable at 298.15 K, and that of HSO4–(H2O)n=1–6 is favorable for T < 273.15 K. The HSO4– ion is almost always hydrated at temperatures and relative humidity values encountered in the troposphere. Because the bisulfate ion binds more strongly to sulfuric acid than it does to water, it is expected to play a role in ion-induced nucleation by forming a strong complex with sulfuric acid and water, thus facilitating the formation of a critical nucleus.

Atmospheric Implications for Formation of Clusters of Ammonium and 1−10 Water Molecules

A mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the ammonium/water clustering system. The use of the high level MP2 calculation method and correlated basis sets, such as aug-cc-pVDZ and aug-cc-pVTZ, lends confidence in the accuracy of the extrapolated energies. These calculations provide electronic and free energies for the formation of clusters of ammonium and 1−10 water molecules at two different temperatures. Structures and thermodynamic values are in good agreement with previous experimental and theoretical results. The estimated concentration of these clusters in the troposphere was calculated using atmospheric amounts of ammonium and water. Results show the favorability of forming these clusters and implications for ion-induced nucleation in the atmosphere.

Formation of Phosphatidylethanol and Its Subsequent Elimination During an Extensive Drinking Experiment Over 5 Days

BACKGROUND: For almost 30 years, phosphatidylethanol (PEth) has been known as a direct marker of alcohol consumption. This marker stands for consumption in high amounts and for a longer time period, but it has been also detected after 1 high single intake of ethanol (EtOH). The aim of this study was to obtain further information about the formation and elimination of PEth 16:0/18:1 by simulating extensive drinking. METHODS: After 3 weeks of alcohol abstinence, 11 test persons drank an amount of EtOH leading to an estimated blood ethanol concentration of 1 g/kg on each of 5 successive days. After the drinking episode, they stayed abstinent for 16 days with regular blood sampling. PEth 16:0/18:1 analysis was performed using liquid chromatography-tandem mass spectrometry (high-performance liquid chromatography 1100 system and QTrap 2000 triple quadrupole linear ion trap mass spectrometer. Values of blood alcohol were obtained using a standardized method with headspace gas chromatography flame ionization detector. RESULTS: Maximum measured concentrations of EtOH were 0.99 to 1.83 g/kg (mean 1.32 g/kg). These values were reached 1 to 3 hours after the start of drinking (mean 1.9 hours). For comparison, 10 of 11 volunteers had detectable PEth 16:0/18:1 values 1 hour after the start of drinking, ranging from 45 to 138 ng/ml PEth 16:0/18:1. Over the following days, concentrations of PEth 16:0/18:1 increased continuously and reached the maximum concentrations of 74 to 237 ng/ml between days 3 and 6. CONCLUSIONS: This drinking experiment led to measurable PEth concentrations. However, PEth 16:0/18:1 concentrations stayed rather low compared with those of alcohol abusers from previous studies.

Biogeochemical processes in a clay formation in situ experiment: Part F - Reactive transport modelling

Reactive transport modelling was used to simulate solute transport, thermodynamic reactions, ion exchange and biodegradation in the Porewater Chemistry (PC) experiment at the Mont Terri Rock Laboratory. Simulations show that the most important chemical processes controlling the fluid composition within the borehole and the surrounding formation during the experiment are ion exchange, biodegradation and dissolution/precipitation reactions involving pyrite and carbonate minerals. In contrast, thermodynamic mineral dissolution/precipitation reactions involving alumo-silicate minerals have little impact on the fluid composition on the time-scale of the experiment. With the accurate description of the initial chemical condition in the formation in combination with kinetic formulations describing the different stages of bacterial activities, it has been possible to reproduce the evolution of important system parameters, such as the pH, redox potential, total organic C. dissolved inorganic C and SO(4) concentration. Leaching of glycerol from the pH-electrode may be the primary source of organic material that initiated bacterial growth, which caused the chemical perturbation in the borehole. Results from these simulations are consistent with data from the over-coring and demonstrate that the Opalinus Clay has a high buffering capacity in terms of chemical perturbations caused by bacterial activity. This buffering capacity can be attributed to the carbonate system as well as to the reactivity of clay surfaces.

Photodissociation dynamics of tert-butylnitrite following excitation to the S(1) and S(2) states. A study by velocity-map ion-imaging and 3D-REMPI spectroscopy

Excitation of tert-butylnitrite into the first and second UV absorption bands leads to efficient dissociation into the fragment radicals NO and tert-butoxy in their electronic ground states (2)Π and (2)E, respectively. Velocity distributions and angular anisotropies for the NO fragment in several hundred rotational and vibrational quantum states were obtained by velocity-map imaging and the recently developed 3D-REMPI method. Excitation into the well resolved vibronic progression bands (k = 0, 1, 2) of the NO stretch mode in the S(1) ← S(0) transition produces NO fragments mostly in the vibrational state with v = k, with smaller fractions in v = k - 1 and v = k - 2. It is concluded that dissociation occurs on the purely repulsive PES of S(1) without barrier. All velocity distributions from photolysis via the S(1)(nπ*) state are monomodal and show high negative anisotropy (β ≈ -1). The rotational distributions peak near j = 30.5 irrespective of the vibronic state S(1)(k) excited and the vibrational state v of the NO fragment. On average 46% of the excess energy is converted to kinetic energy, 23% and 31% remain as internal energy in the NO fragment and the t-BuO radical, respectively. Photolysis via excitation into the S(2) ← S(0) transition at 227 nm yields NO fragments with about equal populations in v = 0 and v = 1. The rotational distributions have a single maximum near j = 59.5. The velocity distributions are monomodal with positive anisotropy β ≈ 0.8. The average fractions of the excess energy distributed into translation, internal energy of NO, and internal energy of t-BuO are 39%, 23%, and 38%, respectively. In all cases ∼8500 cm(-1) of energy remain in the internal degrees of freedom of the t-BuO fragment. This is mostly assigned to rotational energy. An ab initio calculation of the dynamic reaction path shows that not only the NO fragment but also the t-BuO fragment gain large angular momentum during dissociation on the purely repulsive potential energy surface of S(2).

Analysis of lorazepam and its 30-glucuronide in human urine by capillary electrophoresis: evidence for the formation of two distinct diastereoisomeric glucuronides

Lorazepam (LOR) is a 3-hydroxy-1,4-benzodiazepine that is chiral and undergoes enantiomerization at room temperature. In humans, about 75% of the administered dose of LOR is excreted in the urine as its 30-glucuronide. CE-MS with negative ESI was used to confirm the presence of LOR-30-glucuronide in urines that stemmed from a healthy individual who ingested 1 or 2 mg LOR, whereas free LOR could be detected in extracts prepared from enzymatically hydrolyzed urines. As the 30-glucuronidation reaction occurs at the chiral center of the molecule, two diastereoisomers can theoretically be formed, molecules that can no longer interconvert. The stereoselective formation of LOR glucuronides in humans and in vitro was investigated. MEKC analysis of extracts of the nonhydrolyzed urines suggested the presence of the two different LOR glucuronides in the urine. The formation of the same two diastereoisomers was also observed in vitro employing incubations of LOR with human liver microsomes in the presence of uridine 5'-diphospho-glucuronic acid as coenzyme. The absence of other coenzymes excluded the formation of phase I or other phase II metabolites of LOR. Both results revealed a stereoselectivity, one diastereoisomer being formed in a higher amount than the other. After enzymatic hydrolysis using beta-glucuronidase, these peaks could not be detected any more. Instead, LOR was monitored. Analysis of the extracts prepared from enzymatically hydrolyzed urines by MEKC in the presence of 2-hydroxypropyl-beta-CD revealed the enantiomerization process of LOR (observation of two peaks of equal magnitude connected with a plateau zone). The data presented provide for the first time the evidence of the stereoselectivity of the LOR glucuronidation in humans.