Multifunctional water-soluble phosphorus dendrimers

Dendrimers are polymeric macromolecules with a regularly branched structure and are synthesised in an iterative fashion. Due to their monodispersity, well-defined shape and extremely high functionality, dendrimers are ideal nano-sized objects for functional and biocompatible surface coatings, biosensing and biomedicine. This dissertation describes the synthesis of ten novel water-soluble phosphorus containing dendrimers and their application in different biological and biomimetic systems. The dendrimers can be divided into two classes; the first type contains either a ferrocene at the core or 24 ferrocenes in the branches. They showed reversible reduction-oxidation behaviour and might be applied in electronic multilayered architectures. Dendrimers of the second class carry a dithiolane functionalised core that can strongly bind to noble metals, like gold substrates. Although such dendrimer coated substrates were unable to tether defect-free lipid bilayer membranes, the coatings were successfully applied for culturing Human Osteoblast cells. The cell adhesion to a coating of polycationic dendrimers was so strong that cell division could not take place, specifically evoking apoptosis. The polyanionic dendrimers, however, promoted excellent cell adhesion and proliferation. Therefore, the practical application of such macromolecular architectures can be envisioned, such as in dendrimer coatings for tissue engineering and or medical implants.

Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

Tailored epoxide monomers as building units for multifunctional poly(ethylene glycol)

Poly(ethylenglykol) (PEG) ist eines der wichtigsten Polymere für pharmazeutische und biomedizinische Zwecke. Dies lässt sich vor allen Dingen auf seine ausgezeichnete Biokompatibilität, seine hohe chemische Stabilität sowie seine sehr gute Wasserlöslichkeit zurückführen. Neben seiner Anwendung in Produkten wie Lebensmitteln und Kosmetika ist PEG vor allem im pharmazeutischen Bereich unersetzlich geworden. Hier dient PEG als Grundlage für Salben, es kommt aber auch in der sogenannten „PEGylierung“ zum Einsatz. Unter PEGylierung versteht man die kovalente Verknüpfung von PEG mit Wirkstoffmolekülen, beispielsweise Proteinen oder niedermolekularen Medikamenten. In der akademischen Forschung sind aber auch PEGylierte Nanopartikel oder durch PEG stablisierte Liposomen für die Applikation im Bereich der Medizin von hohem Interesse. Trotz seiner breiten Verwendung hat PEG zwei entscheidende Nachteile: Zum einen benötigt man gerade im Hinblick auf PEGylierungen viele funktionelle Gruppe, jedoch trägt PEG maximal zwei Hydroxyl-Gruppen (die Endgruppen), die für kovalente Verknüpfungen genutzt werden können. Zum anderen ist PEG nicht in physiologischer Umgebung abbaubar und kann daher in vivo oberhalb eines Molekulargewichts von 40 000 g/mol nicht eingesetzt werden, da sonst eine Ausscheidung über die Niere nicht möglich ist und eine ungewollte Anreicherung im Körper stattfindet.rnDie durch die geringe Anzahl an Endgruppen limitierte Beladungsdichte kann durch das Design neuer Epoxid-Derivate und deren statistischen Einbau in das PEG Rückgrat deutlich verbessert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden drei neuartige funktionelle Oxirane vorgestellt, die systematisch mit Ethylenoxid copolymerisiert wurden, was die selektive Einführung verschiedener funktioneller Gruppen am Polymerrückgrat ermöglicht. Im Vordergrund der Betrachtungen standen die Eigenschaften der neuartigen multifunktionellen (mf)-PEG Copolymere im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten sowie die Verteilung der funktionellen Gruppen (Mikrostruktur) innerhalb des PEG-Rückgrats. Die gezielte Adressierbarkeit der funktionellen Gruppen konnte durch verschiedene Modellreaktionen bestätigt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich mit der vorgestellten Synthesestrategie komplexe Hybridmaterialien, beispielsweise metallhaltige Polyether, darstellen lassen. Mit Hinblick auf die biomedizinischen Anwendungen und die Konkurrenz zu etablierten PEG-Hompolymeren, standen die Wasserlöslichkeit und die Toxizität der synthetisierten Materialien im Zentrum weiterer Untersuchungen. Alle dargestellten Polymere zeigten einen Trübungspunkt in Wasser, der sich in Abhängigkeit der Zusammensetzung und Hydrophobizität der Comonomere über ein weites Temperaturspektrum variieren und somit systematisch einstellen ließ. Die Toxizität der statistischen mf-PEGs lag im Bereich von PEG, was die mf-PEGs interessant für biomedizinische Anwendung macht.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurden Copolymerisationen verwendet, um über erstmals hergestellte Epoxid-Inimere sauer spaltbare Einheiten in das Polyetherrückgrat einzuführen. Die neuen, verzweigten Strukturen wurden auf die Zersetzung in physiologisch relevantem Milieu untersucht. Die erzielte pH-abhängige Spaltbarkeit, kann für potenzielle Anwendungen beispielsweise in der Krebstherapie, von Vorteil sein.rn

Nanoparticle preparation process using novel microjet reactor technology for enhancing dissolution rates of poorly water soluble drugs

In this study a novel method MicroJet reactor technology was developed to enable the custom preparation of nanoparticles. rnDanazol/HPMCP HP50 and Gliclazide/Eudragit S100 nanoparticles were used as model systems for the investigation of effects of process parameters and microjet reactor setup on the nanoparticle properties during the microjet reactor construction. rnFollowing the feasibility study of the microjet reactor system, three different nanoparticle formulations were prepared using fenofibrate as model drug. Fenofibrate nanoparticles stabilized with poloxamer 407 (FN), fenofibrate nanoparticles in hydroxypropyl methyl cellulose phthalate (HPMCP) matrix (FHN) and fenofibrate nanoparticles in HPMCP and chitosan matrix (FHCN) were prepared under controlled precipitation using MicroJet reactor technology. Particle sizes of all the nanoparticle formulations were adjusted to 200-250 nm. rnThe changes in the experimental parameters altered the system thermodynamics resulting in the production of nanoparticles between 20-1000 nm (PDI<0.2) with high drug loading efficiencies (96.5% in 20:1 polymer:drug ratio).rnDrug releases from all nanoparticle formulations were fast and complete after 15 minutes both in FaSSIF and FeSSIF medium whereas in mucodhesiveness tests, only FHCN formulation was found to be mucoadhesive. Results of the Caco-2 studies revealed that % dose absorbed values were significantly higher (p<0.01) for FHCN in both cases where FaSSIF and FeSSIF were used as transport buffer.rn

Expression, regulation and clinical significance of soluble and membrane CD14 receptors in pediatric inflammatory lung diseases

BACKGROUND: Inflammatory lung diseases are a major morbidity factor in children. Therefore, novel strategies for early detection of inflammatory lung diseases are of high interest. Bacterial lipopolysaccharide (LPS) is recognized via Toll-like receptors and CD14. CD14 exists as a soluble (sCD14) and membrane-associated (mCD14) protein, present on the surface of leukocytes. Previous studies suggest sCD14 as potential marker for inflammatory diseases, but their potential role in pediatric lung diseases remained elusive. Therefore, we examined the expression, regulation and significance of sCD14 and mCD14 in pediatric lung diseases. METHODS: sCD14 levels were quantified in serum and bronchoalveolar lavage fluid (BALF) of children with infective (pneumonia, cystic fibrosis, CF) and non-infective (asthma) inflammatory lung diseases and healthy control subjects by ELISA. Membrane CD14 expression levels on monocytes in peripheral blood and on alveolar macrophages in BALF were quantified by flow cytometry. In vitro studies were performed to investigate which factors regulate sCD14 release and mCD14 expression. RESULTS: sCD14 serum levels were specifically increased in serum of children with pneumonia compared to CF, asthma and control subjects. In vitro, CpG induced the release of sCD14 levels in a protease-independent manner, whereas LPS-mediated mCD14 shedding was prevented by serine protease inhibition. CONCLUSIONS: This study demonstrates for the first time the expression, regulation and clinical significance of soluble and membrane CD14 receptors in pediatric inflammatory lung diseases and suggests sCD14 as potential marker for pneumonia in children.

Posttraumatic stress disorder and soluble cellular adhesion molecules at rest and in response to a trauma-specific interview in patients after myocardial infarction

Posttraumatic stress disorder (PTSD) and circulating cellular adhesion molecules (CAMs) predict cardiovascular risk. We hypothesized a positive relationship between PTSD caused by myocardial infarction (MI) and soluble CAMs. We enrolled 22 post-MI patients with interviewer-rated PTSD and 22 post-MI patients with no PTSD. At 32±6months after index MI, all patients were re-scheduled to undergo the Clinician-Administered PTSD Scale (CAPS) interview and had blood collected to assess soluble CAMs at rest and after the CAPS interview. Relative to patients with no PTSD, those with PTSD had significantly higher levels of soluble vascular cellular adhesion molecule (sVCAM)-1 and intercellular adhesion molecule (sICAM)-1 at rest and, controlling for resting CAM levels, significantly higher sVCAM-1 and sICAM-1 after the interview. Greater severity of PTSD predicted significantly higher resting levels of sVCAM-1 and soluble P-selectin in patients with PTSD. At follow-up, patients with persistent PTSD (n=15) and those who had remitted (n=7) did not significantly differ in CAM levels at rest and after the interview; however, both these groups had significantly higher sVCAM-1 and sICAM-1 at rest and also after the interview compared to patients with no PTSD. Elevated levels of circulating CAMs might help explain the psychophysiologic link of PTSD with cardiovascular risk.

Urinary soluble HLA-DR is a potential biomarker for acute renal transplant rejection

BACKGROUND.: Urine is a potentially rich source of biomarkers for monitoring kidney dysfunction. In this study, we have investigated the potential of soluble human leukocyte antigen (sHLA)-DR in the urine for noninvasive monitoring of renal transplant patients. METHODS.: Urinary soluble HLA-DR levels were measured by sandwich enzyme-linked immunosorbent assay in 103 patients with renal diseases or after renal transplantation. sHLA-DR in urine was characterized by Western blotting and mass spectrometry. RESULTS.: Acute graft rejection was associated with a significantly elevated level of urinary sHLA-DR (P<0.0001), compared with recipients with stable graft function or healthy individuals. A receiver operating characteristic curve analysis showed the area under the curve to be 0.88 (P<0.001). At a selected threshold, the sensitivity was 80% and specificity was 98% for detection of acute renal transplant rejection. sHLA-DR was not exosomally associated and was of lower molecular weight compared with the HLA-DR expressed as heterodimer on the plasma membrane of antigen-presenting cells. CONCLUSIONS.: sHLA-DR excreted into urine is a promising indicator of renal transplant rejection.

Novel association to the proprotein convertase PCSK7 gene locus revealed by analysing soluble transferrin receptor (sTfR) levels

The level of body iron storage and the erythropoietic need for iron are indicated by the serum levels of ferritin and soluble transferrin receptor (sTfR), respectively. A meta-analysis of five genome-wide association studies on sTfR and ferritin revealed novel association to the PCSK7 and TMPRSS6 loci for sTfR and the HFE locus for both parameters. The PCSK7 association was the most significant (rs236918, P = 1.1 × 10E-27) suggesting that proprotein convertase 7, the gene product of PCSK7, may be involved in sTfR generation and/or iron homeostasis. Conditioning the sTfR analyses on transferrin saturation abolished the HFE signal and substantially diminished the TMPRSS6 signal while the PCSK7 association was unaffected, suggesting that the former may be mediated by transferrin saturation whereas the PCSK7-associated effect on sTfR generation appears to be more direct.

Soluble CD163 is not increased in visceral fat and steatotic liver and is even suppressed by free fatty acids in vitro

Visceral fat differs from subcutaneous fat by higher local inflammation and increased release of IL-6 and free fatty acids (FFA) which contribute to hepatic steatosis. IL-6 has been shown to upregulate the monocyte/macrophage specific receptor CD163 whose soluble form, sCD163, is increased in inflammatory diseases. Here, it was analyzed whether CD163 and sCD163 are differentially expressed in the human fat depots and fatty liver. CD163 mRNA and protein were similarly expressed in paired samples of human visceral and subcutaneous fat, and comparable levels in portal venous and systemic venous blood of liver-healthy controls indicate that release of sCD163 from visceral adipose tissue was not increased. CD163 was also similarly expressed in steatotic liver when compared to non-steatotic tissues and sCD163 was almost equal in the respective sera. Concentrations of sCD163 were not affected when passing the liver excluding substantial hepatic removal/release of this protein. A high concentration of IL-6 upregulated CD163 protein while physiological doses had no effect. However, sCD163 was not increased by any of the IL-6 doses tested. FFA even modestly decreased CD163 and sCD163. The anti-inflammatory mediators fenofibrate, pioglitazone, and eicosapentaenoic acid (EPA) did not influence sCD163 levels while CD163 was reduced by EPA. These data suggest that in humans neither visceral fat nor fatty liver are major sources of sCD163.

Responsiveness and habituation of soluble icam-1 to acute psychosocial stress in men: determinants and efect of stress-hemoconcentration

We studied the psychophysiology of soluble intercellular adhesion molecule-1 (sICAM-1) in 25 apparently healthy middle-aged men who underwent an acute psychosocial stressor three times with one week apart. Measures of the biological stress response were obtained at week one and three. The magnitude of the sICAM-1 stress response showed no habituation between visits. At week one, cognitive stress appraisal independently predicted integrated sICAM-1 area under the curve (AUC) between rest, immediately post-stress, and 45 min and 105 min post-stress (beta=.67, p=.012, deltaR(2)=.41). Diastolic blood pressure AUC (beta=-.45, p=.048, deltaR(2)=.21) and heart rate (AUC) (beta=.44, p=.055, deltaR(2)=.21) were independent predictors of sICAM-1 (AUC) at week three. Adjustment for hemoconcentration yielded a decrease in sICAM-1 levels from rest to post-stress (p<.001). Stress responsiveness of plasma sICAM-1 was predicted by stress perception and hemodynamic reactivity and affected by stress-hemoconcentration but unrelated to cortisol reactivity and not readily adapting to stress repeats.