Synthesis of Biologically Active Small Molecules: Different Approaches to Drug Design

In the past years, genome biology had disclosed an ever-growing kind of biological targets that emerged as ideal points for therapeutic intervention. Nevertheless, the number of new chemical entities (NCEs) translated into effective therapies employed in the clinic, still not observed. Innovative strategies in drug discovery combined with different approaches to drug design should be searched for bridge this gap. In this context organic synthetic chemistry had to provide for effective strategies to achieve biologically active small molecules to consider not only as potentially drug candidates, but also as chemical tools to dissect biological systems. In this scenario, during my PhD, inspired by the Biology-oriented Synthesis approach, a small library of hybrid molecules endowed with privileged scaffolds, able to block cell cycle and to induce apoptosis and cell differentiation, merged with natural-like cores were synthesized. A synthetic platform which joined a Domino Knoevenagel-Diels Alder reaction with a Suzuki coupling was performed in order to reach the hybrid compounds. These molecules can represent either antitumor lead candidates, or valuable chemical tools to study molecular pathways in cancer cells. The biological profile expressed by some of these derivatives showed a well defined antiproliferative activity on leukemia Bcr-Abl expressing K562 cell lines. A parallel project regarded the rational design and synthesis of minimally structurally hERG blockers with the purpose of enhancing the SAR studies of a previously synthesized collection. A Target-Oriented Synthesis approach was applied. Combining conventional and microwave heating, the desired final compounds were achieved in good yields and reaction rates. The preliminary biological results of the compounds, showed a potent blocking activity. The obtained small set of hERG blockers, was able to gain more insight the minimal structural requirements for hERG liability, which is mandatory to investigate in order to reduce the risk of potential side effects of new drug candidates.

Therapeutisches Drug Monitoring in der ambulanten Psychopharmakotherapie

Während Therapeutisches Drug Monitoring (TDM) im klinischen Alltag der stationären Behandlung in der Psychiatrie bereits fest etabliert ist, kommt es in der ambulanten Betreuung von psychisch Kranken bislang noch selten zum Einsatz. Ziel dieser Arbeit war es zu klären, wie TDM im ambulanten Bereich eingesetzt wird, wann seine Anwendung sinnvoll ist und ob es Hinweise gibt, dass TDM zu einer besseren Psychopharmakotherapie beitragen kann. rnEine Grundvoraussetzung für den Einsatz von TDM ist die Messbarkeit des Arzneistoffes. Am Beispiel des Antipsychotikums Flupentixol wurde eine Quantifizierungsmethode entwickelt, validiert und in die Laborroutine integriert. Die neue Methode erfüllte alle nach Richtlinien vorgegebenen Anforderungen für quantitative Laboruntersuchungen. Die Anwendbarkeit in der Laborroutine wurde anhand von Untersuchungen an Patienten gezeigt. rnEine weitere Voraussetzung für eine TDM-geleitete Dosisanpassung ist die Kenntnis des therapeutischen Referenzbereiches. In dieser Arbeit wurde exemplarisch ein Referenzbereich für das Antipsychotikum Quetiapin ermittelt. Die Untersuchung verglich darüber hinaus die neu eingeführten Arzneiformulierung Quetiapin retard mit schnell freisetzendem Quetiapin. Es zeigte sich, dass die therapiebegleitenden Blutspiegelkontrollen beider Formulierungen mit der Einstellung des Blutspiegels auf den therapeutischen Bereich von 100 - 500 ng/ml die Wahrscheinlichkeit des Therapieansprechens erhöhen. Bei den verschiedenen Formulierungen musste unbedingt auf den Zeitpunkt der Blutentnahmen nach Einnahme geachtet werden.rnEs wurde eine multizentrische Querschnittsuntersuchung zur Analyse von TDM unter naturalistischen Bedingungen an ambulanten Patienten durchgeführt, und zwar in Ambulanzen, in denen TDM als fester Bestandteil der Therapieüberwachung genutzt wurde und in Ambulanzen, in denen TDM sporadisch engesetzt, bzw. neu eingeführt wurde. Nach dieser Erhebung schien die Anwendung von TDM zu einer besseren Versorgung der Patienten beizutragen. Es wurde festgestellt, dass in den Ambulanzen mit bewusster Anwendung von TDM mehr Patienten mit Blutspiegeln im therapeutischen Bereich vorkamen als in den Ambulanzen mit nur sporadisch durchgeführten Blutspiegelmessungen. Bei Letzteren betrug die mittlere Anzahl an Medikamenten pro Patient 2,8 gegenüber 2,2 in den anderen Ambulanzen, was mit höheren Nebenwirkungsraten einherging. Die Schlussfolgerung, dass das Einstellen der Blutspiegel auf den therapeutischen Bereich auch tatsächlich zu besseren Therapieeffekten führte, konnte mit der Studie nicht valide überprüft werden, da die Psychopathologie nicht adäquat abgebildet werden konnte. Eine weitere Erkenntnis war, dass das reine Messen des Blutspiegels nicht zu einer Verbesserung der Therapie führte. Eine Verbesserung der Anwendung von TDM durch die Behandler wurde nach einer Schulung festgestellt, die das Ziel hatte, die Interpretation der Blutspiegelbefunde im Kontext mit patienten- und substanzspezifischen Informationen zu verbessern. Basierend auf dieser Erfahrung wurden Arzneistoffdatenblätter für die häufigsten angewandten Antipsychotika und Antidepressiva entwickelt, um damit die ambulanten Ärzte für eine eigenständige Befundinterpretation zu unterstützen. rnEin weiterer Schwerpunkt der Untersuchungen an ambulanten Patienten war die Aufdeckung von Non-Compliance durch TDM. Ein neu entwickeltes Verfahren, durch Berechnung der Streuung der mittleren Blutspiegel, erwies sich als geeignetes Instrument zur Compliance-Kontrolle in der Clozapin-Langzeittherapie. Es war etablierten anderen Verfahren überlegen. Demnach hatten Patienten ein erhöhtes Rückfallrisiko, wenn der Variationskoeffizient von nur drei nacheinander gemessenen Blutspiegeln größer als 20 % war. Da für die Beurteilung des Variationskoeffizienten das Messen von nur drei aufeinander folgenden Blutspiegeln notwendig war, kann diese Methode leicht in den ambulanten Alltag integriert werden. Der behandelnde Arzt hat so die Möglichkeit, einen rückfallgefährdeten Patienten noch vor seiner psychopathologischen Verschlechterung zu erkennen und ihn beispielsweise durch engmaschigeres Supervidieren vor einem Rückfall zu bewahren.rnAlles in allem konnte durch die eigenen Untersuchungen an psychiatrischen Patienten, die unter naturalistischen Bedingungen behandelt wurden, gezeigt werden, wie die Voraussetzungen für die Anwendung von TDM geschaffen werden, nämlich durch die Etablierung und Validierung einer Messmethode und durch die Evaluierung eines therapeutischen Referenzbereiches und wie TDM bei adäquatem Einsatz, nach Verbesserung der Compliance und des Kenntnisstandes der behandelnden Ärzte im praktischen und theoretischen Umgang mit TDM, die Versorgung ambulanter psychiatrischer Patienten unterstützen kann.

Etablierung und Optimierung von Therapeutischem Drug Monitoring für die Psychopharmakotherapie von Patienten mit Substanzabhängigkeit

Therapeutisches Drug Monitoring (TDM) findet Anwendung in der Therapie mit Immunosuppressiva, Antibiotika, antiretroviraler Medikation, Antikonvulsiva, Antidepressiva und auch Antipsychotika, um die Effizienz zu steigern und das Risiko von Intoxikationen zu reduzieren. Jedoch ist die Anwendung von TDM für Substanzen, die Einsatz finden in der Rückfallprophylaxe, der Substitution oder dem Entzug von Abhängigkeitserkrankungen nicht etabliert. Für diese Arbeit wurde im ersten Schritt eine sensitive Rating-Skala mit 22 Items entwickelt, mit Hilfe derer der theoretische Nutzen von TDM in der Pharmakotherapie von substanzbezogenen Abhängigkeitserkrankungen auf der Basis von pharmakologischen Eigenschaften der Medikamente und von Patientencharakteristika evaluiert wurde. Die vorgenommene Einschätzung zeigte für Bupropion, Buprenorphin, Disulfiram (oder einen Metaboliten), Methadon (chirale Bestimmung wenn möglich) und Naltrexon einen potentiellen Nutzen von TDM.rnFür die meisten Medikamente, die zur Behandlung von Abhängigkeitserkrankungen zugelassen sind, fehlen valide Messverfahren für TDM. Im Alltag werden überwiegend Drogen Screening-Tests in Form immunologischer Schnelltests angewendet. Für die Anwendung von TDM wurden in dieser Arbeit chromatographische Verfahren für die Bestimmung von Naltrexon und 6β-Naltrexol, Bupropion und Hydroxybupropion sowie R,S-Methadon und R,S-2-Ethyliden-1,5-dimethyl-3,3-diphenylpyrrolidin entwickelt, optimiert und validiert. Es handelt sich dabei HPLC-UV-Methoden mit Säulenschaltung sowie zur Bestimmung von Naltrexon und 6β-Naltrexol zusätzlich eine LC-MS/MS-Methode. Voraussetzung für die Interpretation der Plasmaspiegel ist im Wesentlichen die Kenntnis eines therapeutischen Bereichs. Für Naltrexon und seinen aktiven Metaboliten 6β-Naltrexol konnte eine signifikante Korrelation zwischen dem auftretenden Craving und der Summenkonzentration gefunden werden. Mittels Receiver-Operation-Characteristics-Kurven-Analyse wurde ein Schwellenwert von 16,6 ng/ml ermittelt, oberhalb dessen mit einem erhöhten Ansprechen gerechnet werden kann. Für Levomethadon wurde bezüglich der Detoxifikationsbehandlung ein Zusammenhang in der prozentualen Reduktion des Plasmaspiegels und den objektiven und subjektiven Entzugssymptomen gefunden. rnDoch nicht nur die Wirkstoffe, sondern auch das Patientenmerkmal substanzbezogene Abhängigkeit wurde charakterisiert, zum einen bezüglich pharmakokinetischer Besonderheiten, zum anderen in Hinsicht auf die Therapietreue (Adhärenz). Für Patienten mit komorbider Substanzabhängigkeit konnte eine verminderte Adhärenz unabhängig von der Hauptdiagnose gezeigt werden. Die Betrachtung des Einflusses von veränderten Leberwerten zeigt für komorbide Patienten eine hohe Korrelation mit dem Metabolisiererstatus, nicht aber für Patienten ohne Substanzabhängigkeit.rnÜbergeordnetes Ziel von TDM ist die Erhöhung der Therapiesicherheit und die Steigerung der Therapieeffizienz. Dies ist jedoch nur möglich, wenn TDM im klinischen Alltag integriert ist und korrekt eingesetzt wird. Obwohl es klare Evidenz für TDM von psychiatrischer Medikation gibt, ist die Diskrepanz zwischen Laborempfehlung und der klinischen Umsetzung hoch. Durch Intensivierung der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Ärzten und Labor, der Entwicklung von interaktivem TDM (iTDM), konnte die Qualität der Anwendung von TDM verbessert und das Risiko von unerwünschten Arzneimittelwirkungen vermindert werden. rnInsgesamt konnte durch die eigenen Untersuchungen gezeigt werden, dass TDM für die medikamentöse Einstellung von Patienten mit Abhängigkeitserkrankung sinnvoll ist und dass optimales TDM eine interdisziplinäre Zusammenarbeit erfordert.rn

Synthese und Charakterisierung zylindrischer Poly(2-oxazolin)bürsten als Nanocarrier für Drug Delivery Systeme

Inspiriert durch natürlich vorkommende Peptide, sind Poly(2-oxazoline) vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in Bereichen des kontrollierten Wirkstoff- bzw. Gentransportes, wie die moderne Biomedizin dies fordert. Da Polyoxazoline als strukturisomere Amide von natürlichen Polypeptiden aufgefasst werden können, zeigen diese synthetischen Polymere in direktem Vergleich erhebliche Vorteile etwa hinsichtlich Zytotoxizät und Effizienz, was wesentlich dazu beitragen kann, aktuelle Hürden biomedizinischer Fragestellungen hinsichtlich Transport und Targeting zu überwinden. Darüber hinaus sollten zylindrische Polymerbürsten aufgrund ihrer molekularen, architekturbedingten Formanisotropie und jüngsten Ergebnissen insbesondere zur formabhängigen Endozytose sehr aussichtsreiche Kandidaten für den Einsatz zum Wirkstofftransport sein.rnrnDie vorliegende Arbeit widmete sich deshalb der Synthese und Charakterisierung von biokompatiblen zylindrischen Poly(2-oxazolin)bürsten als potentielle Nanotransporter von Wirkstoffen, Biomolekülen oder genetischem Material. Als Monomer wurde zunächst 2-Isopropyloxazolin gewählt, da das Polymer eine Phasenübergangstemperatur von 37 °C besitzt, was für Konjugatsynthesen wie auch diverse biomedizinische Applikationen interessant sein kann. Durch terminierende Methacrylamid Funktionalisierung der lebenden kationischen Oxazolinpolymerisation bzw. nachfolgende Endgruppen Transferreaktionen sind Makromonomere im Bereich 1000-5000 g/mol zugänglich. Erstmals gelang es so 2-Oxazolin basierte, hochmolekulare zylindrische Bürsten mit Konturlängen im Bereich von 250 nm mittels „Grafting Through“ Technik in freier radikalischer Polymerisation herzustellen.rnrnAusgehend von der entwickelten Syntheseroute konnten so neben Homo- und Blockcopolymerbürsten von 2-Ethyl-2-oxazolin und 2-Isopropyl-2-oxazolin auch Bürstenmoleküle aus statistischen Copolymeren von 2-Ethyl-2-oxazolin und unsubstituiertem 2-Oxazolin hergestellt werden. Während letztere die Einführung kationischer Gruppen durch selektivere Abspaltmethoden der Formylreste erlauben und so etwa DNA/RNA Komplexierungen ermöglichen können, bietet andererseits der in dieser Arbeit erstmalig demonstrierte Einsatz Azid-funktionalisierter Initiatoren zur kationischen Oxazolinpolymerisation unter Beibehaltung aller anderen sonstigen Reaktionsschritte auch die Möglichkeit der Synthese Azid-Endgruppen-funktionalisierter Makromonomere. Die „Grafting Through“ Methodik der freien radikalischen Makromonomer Polymerisation ist selbst bei diesen funktionalisierten Systemen von großem Vorteil, erlaubt sie auch hier den Zugang zu hochmolekularen Substraten mit einem Pfropfungs- bzw. Funktionalisierungsgrad von 100 %, da jede Seitenkette dieser zylindrischen Bürsten die aussenliegende, und damit sterisch leichter zugängliche funktionale Gruppe trägt. Dabei gelang es die Syntheseroute so zu gestalten, dass es möglich war alle vorgestellten Polymerbürsten mittels statischer und dynamischer Lichtstreuung hinsichtlich absoluter Molmasse und molekularer Dimension zu charakterisieren.rnIn weitereren Reaktionen konnten dann reaktive Fluoreszenzfarbstoffe mit Hilfe kupferfreier 1,3 dipolarerer Addition (kupferfreie „Click-Chemie“) an die Azid-funktionalisierten Polymerbürsten angebunden werden, so dass eine wesentliche Voraussetzung für die Detektion in in vivo und in vitro Experimenten erfüllt werden kann. Darüber hinaus gelingt die quantitative polymeranaloge Umsetzung der Azid- zu Aminogruppen durch eine polymeranalog geführte Reduktion nach Staudinger; damit können an diesen Systemen auch etablierte Konjugationstechniken an Aminogruppen durchgeführt werden. Zudem erlauben die Aminogruppen-haltigen Polymerbürsten durch Protonierung schon bei physiologischem pH die Komplexierung von DNA oder RNA. rnrnErste Lichtstreumessungen in Blutserum zeigen im Falle der kationischen Aminogruppen tragenden Polymerbürsten zwar Aggregation, was aber durch entsprechende Umsetzung nach Konjugation wahrscheinlich unterdrückt werden kann, zeigen doch die entsprechenden Precursorpolymerbürsten mit Azidgruppen in Serum keinerlei Aggregation.rnrnZellaufnahmestudien in dendritische Zellen zeigen nur im Falle einer Azid-funktionalisierten Poly(2-isopropyl-2-oxazolin)bürste eine unspezifische Aufnahme. Die hydrophileren Poly(2-oxazolin)bürsten weise keine unspezifische Aufnahme auf, was eine wichtige Anfoderung für die Verwendung als Polymercarrier in der Krebsimmuntherapie ist.rn

From defined polymer architectures to structure-property relationships in vivo

Makromolekulare Wirkstoffträgersysteme sind von starkem Interesse bezüglich der klinischen Anwendung chemotherapeutischer Agenzien. Um ihr klinisches Potential zu untersuchen ist es von besonderer Bedeutung das pharmakokinetische Profil in vivo zu bestimmen. Jede Veränderung der Polymerstruktur beeinflusst die Körperverteilung des entsprechenden Makromoleküls. Aufgrund dessen benötigt man detailliertes Wissen über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen im lebenden Organismus, um das Nanocarrier System für zukünftige Anwendungen einzustellen. In dieser Beziehung stellt das präklinische Screening mittels radioaktiver Markierung und Positronen-Emissions-Tomographie eine nützliche Methode für schnelle sowie quantitative Beobachtung von Wirkstoffträgerkandidaten dar. Insbesondere poly(HPMA) und PEG sind im Arbeitsgebiet Polymer-basierter Therapeutika stark verbreitet und von ihnen abgeleitete Strukturen könnten neue Generationen in diesem Forschungsbereich bieten.rnDie vorliegende Arbeit beschreibt die erfolgreiche Synthese verschiedener HPMA und PEG basierter Polymer-Architekturen – Homopolymere, Statistische und Block copolymere – die mittels RAFT und Reaktivesterchemie durchgeführt wurde. Des Weiteren wurden die genannten Polymere mit Fluor-18 und Iod-131 radioaktiv markiert und mit Hilfe von microPET und ex vivo Biodistributionsstudien in tumortragenden Ratten biologisch evaluiert. Die Variation in Polymer-Architektur und darauffolgende Analyse in vivo resultierte in wichtige Schlussfolgerungen. Das hydrophile / lipophile Gleichgewicht hatte einen bedeutenden Einfluss auf das pharmakokinetische Profil, mit besten in vivo Eigenschaften (geringe Aufnahme in Leber und Milz sowie verlängerte Blutzirkulationszeit) für statistische HPMA-LMA copolymere mit steigendem hydrophoben Anteil. Außerdem zeigten Langzeitstudien mit Iod-131 eine verstärkte Retention von hochmolekularen, HPMA basierten statistischen Copolymeren im Tumorgewebe. Diese Beobachtung bestätigte den bekannten EPR-Effekt. Hinzukommend stellen Überstrukturbildung und damit Polymergröße Schlüsselfaktoren für effizientes Tumor-Targeting dar, da Polymerstrukturen über 200 nm in Durchmesser schnell vom MPS erkannt und vom Blutkreislauf eliminiert werden. Aufgrund dessen wurden die hier synthetisierten HPMA Block copolymere mit PEG Seitengruppen chemisch modifiziert, um eine Verminderung in Größe sowie eine Reduktion in Blutausscheidung zu induzieren. Dieser Ansatz führte zu einer erhöhten Tumoranreicherung im Walker 256 Karzinom Modell. Generell wird die Körperverteilung von HPMA und PEG basierten Polymeren stark durch die Polymer-Architektur sowie das Molekulargewicht beeinflusst. Außerdem hängt ihre Effizienz hinsichtlich Tumorbehandlung deutlich von den individuellen Charakteristika des einzelnen Tumors ab. Aufgrund dieser Beobachtungen betont die hier vorgestellte Dissertation die Notwendigkeit einer detaillierten Polymer-Charakterisierung, kombiniert mit präklinischem Screening, um polymere Wirkstoffträgersysteme für individualisierte Patienten-Therapie in der Zukunft maßzuschneidern.rn

Tissue engineering strategies for biomaterial-based anticancer drug delivery and enhancement of angiogenesis in tumor-resected bone

Patienten, die an Osteosarkom leiden werden derzeit mit intravenös applizierten krebstherapeutischen Mitteln nach Tumorresektion behandelt, was oftmals mit schweren Nebenwirkungen und einem verzögerten Knochenheilungsprozess einhergeht. Darüber hinaus treten vermehrt Rezidive aufgrund von verbleibenden neoplastischen Zellen an der Tumorresektionsstelle auf. Erfolgreiche Knochenregeneration und die Kontrolle von den im Gewebe verbleibenden Krebszellen stellt eine Herausforderung für das Tissue Engineering nach Knochenverlust durch Tumorentfernung dar. In dieser Hinsicht scheint der Einsatz von Hydroxyapatit als Knochenersatzmaterial in Kombination mit Cyclodextrin als Medikamententräger, vielversprechend. Chemotherapeutika können an Biomaterial gebunden und direkt am Tumorbett über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden, um verbliebene neoplastische Zellen zu eliminieren. Lokal applizierte Chemotherapie hat diverse Vorteile, einschließlich der direkten zytotoxischen Auswirkung auf lokale Zellen, sowie die Reduzierung schwerer Nebenwirkungen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit eines solchen Arzneimittelabgabesystems zu bewerten und um Strategien im Bereich des Tissue Engineerings zu entwickeln, die den Knochenheilungsprozess und im speziellen die Vaskularisierung fördern sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur Krebszellen von der chemotherapeutischen Behandlung betroffen sind. Primäre Endothelzellen wie zum Beispiel HUVEC zeigten eine hohe Sensibilität Cisplatin und Doxorubicin gegenüber. Beide Medikamente lösten in HUVEC ein tumor-unterdrückendes Signal durch die Hochregulation von p53 und p21 aus. Zudem scheint Hypoxie einen krebstherapeutischen Einfluss zu haben, da die Behandlung sensitiver HUVEC mit Hypoxie die Zellen vor Zytotoxizität schützte. Der chemo-protektive Effekt schien deutlich weniger auf Krebszelllinien zu wirken. Diese Resultate könnten eine mögliche chemotherapeutische Strategie darstellen, um den Effekt eines zielgerichteten Medikamenteneinsatzes auf Krebszellen zu verbessern unter gleichzeitiger Schonung gesunder Zellen. Eine erfolgreiche Integration eines Systems, das Arzneimittel abgibt, kombiniert mit einem Biomaterial zur Stabilisierung und Regeneration, könnte gesunden Endothelzellen die Möglichkeit bieten zu proliferieren und Blutgefäße zu bilden, während verbleibende Krebszellen eliminiert werden. Da der Prozess der Knochengeweberemodellierung mit einer starken Beeinträchtigung der Lebensqualität des Patienten einhergeht, ist die Beschleunigung des postoperativen Heilungsprozesses eines der Ziele des Tissue Engineerings. Die Bildung von Blutgefäßen ist unabdingbar für eine erfolgreiche Integration eines Knochentransplantats in das Gewebe. Daher ist ein umfangreich ausgebildetes Blutgefäßsystem für einen verbesserten Heilungsprozess während der klinischen Anwendung wünschenswert. Frühere Experimente zeigen, dass sich die Anwendung von Ko-Kulturen aus humanen primären Osteoblasten (pOB) und humanen outgrowth endothelial cells (OEC) im Hinblick auf die Bildung stabiler gefäßähnlicher Strukturen in vitro, die auch effizient in das mikrovaskuläre System in vivo integriert werden konnten, als erfolgreich erweisen. Dieser Ansatz könnte genutzt werden, um prä-vaskularisierte Konstrukte herzustellen, die den Knochenheilungsprozess nach der Implantation fördern. Zusätzlich repräsentiert das Ko-Kultursystem ein exzellentes in vitro Model, um Faktoren, welche stark in den Prozess der Knochenheilung und Angiogenese eingebunden sind, zu identifizieren und zu analysieren. Es ist bekannt, dass Makrophagen eine maßgebliche Rolle in der inflammatorisch-induzierten Angiogenese spielen. In diesem Zusammenhang hebt diese Studie den positiven Einfluss THP-1 abgeleiteter Makrophagen in Ko-Kultur mit pOB und OEC hervor. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anwendung von Makrophagen als inflammatorischer Stimulus im bereits etablierten Ko-Kultursystem zu einer pro-angiogenen Aktivierung der OEC führte, was in einer signifikant erhöhten Bildung blutgefäßähnlicher Strukturen in vitro resultierte. Außerdem zeigte die Analyse von Faktoren, die in der durch Entzündung hervorgerufenen Angiogenese eine wichtige Rolle spielen, eine deutliche Hochregulation von VEGF, inflammatorischer Zytokine und Adhäsionsmoleküle, die letztlich zu einer verstärkten Vaskularisierung beitragen. Diese Resultate werden dem Einfluss von Makrophagen zugeschrieben und könnten zukünftig im Tissue Engineering eingesetzt werden, um den Heilungsprozess zu beschleunigen und damit die klinische Situation von Patienten zu verbessern. Darüber hinaus könnte die Kombination der auf Ko-Kulturen basierenden Ansätze für das Knochen Tissue Engineering mit einem biomaterial-basierenden Arzneimittelabgabesystem zum klinischen Einsatz kommen, der die Eliminierung verbliebener Krebszellen mit der Förderung der Knochenregeneration verbindet.

The influence of pulmonary surfactant on nanoparticulate drug delivery systems

The pulmonary route is very attractive for drug delivery by inhalation. In this regard, nanoparticulate drug delivery systems, designed as multifunctional engineered nanoparticles, are very promising since they combine several opportunities like a rather uniform distribution of drug dose among all ventilated alveoli allowing for uniform cellular drug internalization. However, although the field of nanomedicine offers multiple opportunities, it still is in its infancy and the research has to proceed in order to obtain a specific targeting of the drug combined with minimum side effects. If inhaled nanoparticulate drug delivery systems are deposited on the pulmonary surfactant, they come into contact with phospholipids and surfactant proteins. It is highly likely that the interaction of nanoparticulate drug delivery systems with surfactant phospholipids and proteins will be able to mediate/modulate the further fate of this specific drug delivery system. In the present comment, we discuss the potential interactions of nanoparticulate drug delivery systems with pulmonary surfactant as well as the potential consequences of this interaction.

The complex clinical picture of side effects to biologicals

Biologicals are proteins used as drugs. Biologicals target clearly defined molecular structures, being part of established pathogenetic pathways. Therefore, their focused mode of action seems to render them superior to classic small molecular drugs regarding "off-target" adverse drug reactions (ADR). Nevertheless, the increasing use of biologicals for the treatment of different diseases has revealed partially unexpected adverse reactions. The often direct interaction of a biological with the immune system provides a clue to most side effects, which have consequently been subclassified, based on pathogenetic principles, into 5 subtypes named alpha, beta, gamma, delta, and epsilon, reflecting overstimulation (high cytokine values, type alpha), hypersensitivity (type beta), immune deviation (including immunodeficiency, type gamma), cross-reactivity (type delta), and nonimmune mediated side effects (type epsilon). This article presents typical clinical manifestations of these subtypes of ADR to biologicals, proposes general rules for treating them, and provides a scheme for a thorough allergological workup. This approach should help in future handling of these often very efficient drugs.

Hair analysis for Delta9-tetrahydrocannabinolic acid A--new insights into the mechanism of drug incorporation of cannabinoids into hair

Differentiation between external contamination and incorporation of drugs or their metabolites from inside the body via blood, sweat or sebum is a general issue in hair analysis and of high concern when interpreting analytical results. In hair analysis for cannabinoids the most common target is Delta9-tetrahydrocannabinol (THC), sometimes cannabidiol (CBD) and cannabinol (CBN) are determined additionally. After repeated external contamination by cannabis smoke these analytes are known to be found in hair even after performing multiple washing steps. A widely accepted strategy to unequivocally prove active cannabis consumption is the analysis of hair extracts for the oxidative metabolite 11-nor-9-carboxy-THC (THC-COOH). Although the acidic nature of this metabolite suggests a lower rate of incorporation into the hair matrix compared to THC, it is not fully understood up to now why hair concentrations of THC-COOH are generally found to be much lower (mostly <10 pg/mg) than the corresponding THC concentrations. Delta9-Tetrahydrocannabinolic acid A (THCA A) is the preliminary end product of the THC biosynthesis in the cannabis plant. Unlike THC it is non-psychoactive and can be regarded as a 'precursor' of THC being largely decarboxylated when heated or smoked. The presented work shows for the first time that THCA A is not only detectable in blood and urine of cannabis consumers but also in THC positive hair samples. A pilot experiment performed within this study showed that after oral intake of THCA A on a regular basis no relevant incorporation into hair occurred. It can be concluded that THCA A in hair almost exclusively derives from external contamination e.g. by side stream smoke. Elevated temperatures during the analytical procedure, particularly under alkaline conditions, can lead to decarboxylation of THCA A and accordingly increase THC concentrations in hair. Additionally, it has to be kept in mind that in hair samples tested positive for THCA A at least a part of the 'non-artefact' THC probably derives from external contamination as well, because in condensate of cannabis smoke both THC and THCA A are present in relevant amounts. External contamination by side stream smoke could therefore explain the great differences in THC and THC-COOH hair concentrations commonly found in cannabis users.

Detection and identification of 700 drugs by multi-target screening with a 3200 Q TRAP LC-MS/MS system and library searching

The multi-target screening method described in this work allows the simultaneous detection and identification of 700 drugs and metabolites in biological fluids using a hybrid triple-quadrupole linear ion trap mass spectrometer in a single analytical run. After standardization of the method, the retention times of 700 compounds were determined and transitions for each compound were selected by a "scheduled" survey MRM scan, followed by an information-dependent acquisition using the sensitive enhanced product ion scan of a Q TRAP hybrid instrument. The identification of the compounds in the samples analyzed was accomplished by searching the tandem mass spectrometry (MS/MS) spectra against the library we developed, which contains electrospray ionization-MS/MS spectra of over 1,250 compounds. The multi-target screening method together with the library was included in a software program for routine screening and quantitation to achieve automated acquisition and library searching. With the help of this software application, the time for evaluation and interpretation of the results could be drastically reduced. This new multi-target screening method has been successfully applied for the analysis of postmortem and traffic offense samples as well as proficiency testing, and complements screening with immunoassays, gas chromatography-mass spectrometry, and liquid chromatography-diode-array detection. Other possible applications are analysis in clinical toxicology (for intoxication cases), in psychiatry (antidepressants and other psychoactive drugs), and in forensic toxicology (drugs and driving, workplace drug testing, oral fluid analysis, drug-facilitated sexual assault).

LC-MS/MS screening method for designer amphetamines, tryptamines, and piperazines in serum

Since the late 1990s and early 2000s, derivatives of well-known designer drugs as well as new psychoactive compounds have been sold on the illicit drug market and have led to intoxications and fatalities. The LC-MS/MS screening method presented covers 31 new designer drugs as well as cathinone, methcathinone, phencyclidine, and ketamine which were included to complete the screening spectrum. All but the last two are modified molecular structures of amphetamine, tryptamine, or piperazine. Among the amphetamine derivatives are cathinone, methcathinone, 3,4-DMA, 2,5-DMA, DOB, DOET, DOM, ethylamphetamine, MDDMA, 4-MTA, PMA, PMMA, 3,4,5-TMA, TMA-6 and members of the 2C group: 2C-B, 2C-D, 2C-H, 2C-I, 2C-P, 2C-T-2, 2C-T-4, and 2C-T-7. AMT, DPT, DiPT, MiPT, DMT, and 5MeO-DMT are contained in the tryptamine group, BZP, MDBP, TFMPP, mCPP, and MeOPP in the piperazine group. Using an Applied Biosystems LC-MS/MS API 365 TurboIonSpray it is possible to identify all 35 substances. After addition of internal standards and mixed-mode solid-phase extraction the analytes are separated using a Synergi Polar RP column and gradient elution with 1 mM ammonium formate and methanol/0.1% formic acid as mobile phases A and B. Data acquisition is performed in MRM mode with positive electro spray ionization. The assay is selective for all tested substances. Limits of detection were determined by analyzing S/N-ratios and are between 1.0 and 5.0 ng/mL. Matrix effects lie between 65% and 118%, extraction efficiencies range from 72% to 90%.

Natural products as leads for anticancer drug discovery: discovery of new chemotypes of microtubule stabilizers through reengineering of the epothilone scaffold

Epothilones are bacterial macrolides with potent microtubule-stabilizing and antiproliferative activity, which have served as successful lead structures for the discovery of several clinical candidates for cancer treatment. Overall, seven epothilone-type agents have been advanced to clinical evaluation in humans so far and one of these has been approved by the FDA in 2007 for clinical use in breast cancer patients. Notwithstanding these impressive numbers, however, the structural diversity represented by the collection of epothilone analogs that have been (or still are) investigated clinically is rather limited and their individual structures show little divergence from the original natural product leads. In contrast, we have elaborated a series of epothilone-derived macro-lactones, whose overall structural features significantly deviate from those of the natural epothilone scaffold and thus define new structural families of microtubule-stabilizing agents. Key elements of our hypermodification strategy are the change of the natural epoxide geometry from cis to trans, the incorporation of conformationally constrained side chains, the removal of the C(3)-hydroxyl group, and the replacement of C(12) with nitrogen. The latter modification leads to aza-macrolides that may be described as 'non-natural natural products'.

[Immunosuppressive drugs - how they work, their side effects and interactions]

The central issue in organ transplantation remains suppression of allograft rejection. Immunosuppression can be achieved by depleting lymphocytes, diverting lymphocyte traffic, or blocking lymphocyte response pathways. Immunosuppressive drugs include small-molecule drugs, depleting and nondepleting protein drugs (polyclonal and monoclonal antibodies), fusion proteins, intravenous immune globulin, and glucocorticoids. Small-molecule immunosuppressive agents include calcineurin-inhibitors (cyclosporine, tacrolimus), Target-of-Rapamycin Inhibitors (Sirolimus, Everolimus), inhibitors of nucleotide synthesis and azathioprine. The review covers the mode of action of these drugs with a special focus on belatacept, a new promising fusion protein. Different immuo-suppressive strategies mean also different safety profiles. Common side effects include the consequences of diminished immuno- response, i.e. infections and cancer (mainly involving the skin). Toxic side effects of immunosuppressive drugs range in a wide spectrum that involves almost every organ. The major interest of this toxic effects is the cardiovascular tolerance (with large differences from drug to drug), that are discussed seperately. The calcineurin- and mTOR-inhibitors are both metabolized by the CYP450 3A4 enzyme, which is also involved in the metabolism of many other drugs. The review discusses the most important interactions that in- or decreases the through level of these drugs.

[Drug therapy of acute and chronic abdominal pain]

For drug therapy a differentiation of acute and chronic pain is essential. In emergency situations of acute abdominal pain a fast diagnosis is mandatory. Analgesia should be provided as soon as possible. The different groups of analgesics should be used according to their known effects, side effects and contraindications. Postoperative pain after abdominal surgery has to be considered as a special condition of acute abdominal pain. Main treatment options are non opioid analgesics and opioids. Opioids can be administered intravenously via patient controlled analgesia (PCA) devices. In major abdominal surgery neuroaxial analgesia, preferentially administered via an epidural catheter provides excellent pain relief with positive impact on gastrointestinal motility and patients' recovery. Because of difficulties to allocate chronic abdominal pain to a specific organ, causal treatment often turns out to be difficult. Peripheral and central sensitization, as well as an alteration of the endogenous pain modulation comes to the fore in these chronic pain conditions. Co-analgesics like anticonvulsants and antidepressants are utilized to reduce sensitization and improve the endogenous pain modulating system. Non drug approaches and alternative treatment options might be useful. In contrast, orally or transcutaneously administered opioids are the principal corner stone for the treatment of cancer pain.

[Pharmacotherapy of hyperthyreosis--adverse drug reactions]

The antithyroid drugs mainly include thioimidazole (carbimazole, methimazole=thiamazole) and propylthiouracil. After absorption, carbimazole is rapidly metabolized to methimazole and thus switching between these two drugs should not be considered in case of side effects. Furthermore, in case of side effects, sometimes even cross reactions between thioimidazoles and propylthiouracil occur. Common and typical adverse reactions of antithyroid drugs include dose dependent hypothyroidism and thus thyroid function should be repeatedly checked while the patient is on antithyroid drugs. Furthermore, pruritus and rash may develop. In this case, one might try to switch from thioimidazoles to propylthiouracil or vice versa. Antithyroid drugs may cause mild dose dependent neutropenia or severe allergy-mediated agranulocytosis, which typically occurs during the first three months of treatment, has an incidence of 3 per 10,000 patients and cross reactivity between thioimidazoles to propylthiouracil may occur. Rarely, antithyroid drugs can cause aplastic anemia. Mainly propylthiouracil, but sometimes also methimazole may lead to an asymptomatic transient increase in liver enzymes or to severe, even lethal liver injury of cholestatic or hepatocellular pattern. Since propylthiouracil associated liver injury was observed increasingly among children and adolescent, it has been suggested to prefer thioimidazoles for these patients. Because of these potential serious adverse effects, physicians should advise patients to immediately seek medical help if they get a fever or sore throat or malaise, abdominal complaints or jaundice, respectively. Furthermore, arthralgias may develop in 1-5% of patients under both antithyroid drugs. Since arthralgias may be the first symptom of more serious immunologic side effects, it is recommended to stop the antithyroid drug in this case. Drug induced polyarthritis mainly develops during the first month of therapy, whereas ANCA-positive vasculitis is generally observed only after long term exposure to propylthiouracil or very rarely with the thioimidazoles. The teratogenic risk of the thioimidazoles is somewhat higher (Aplasia cutis congenita), that is why one generally recommends preferring propylthiouracil during pregnancy. During breast feeding both, thioimidazoles or propylthiouracil, may be administered. Nowadays, perchlorate is only used short term in case of latent hyperthyroidism before administering iodine-containing contrast agents. Therefore, the known side effects, which usually are only observed after long term treatment, are not an issue any more.