Emissions of volatile organic compounds from tropical savanna vegetation and biomass burning

This dissertation focuses on characterizing the emissions of volatile organic compounds (VOCs) from grasses and young trees, and the burning of biomass mainly from Africa and Indonesia. The measurements were performed with a proton-transfer-reaction mass spectrometer (PTR-MS). The biogenic emissions of tropical savanna vegetation were studied in Calabozo (Venezuela). Two field campaigns were carried out, the first during the wet season (1999) and the second during the dry season (2000). Three grass species were studied: T. plumosus, H. rufa and A. canescens, and the tree species B. crassifolia, C. americana and C. vitifolium. The emission rates were determined with a dynamic plant enclosure system. In general, the emissions increased exponentially with increasing temperature and solar radiation. Therefore, the emission rates showed high variability. Consequently, the data were normalized to a standard temperature of 30°C, and standard emission rates thus determined allowed for interspecific and seasonal comparisons. The range of average daytime (10:00-16:00) emission rates of total VOCs measured from green (mature and young) grasses was between 510-960 ngC/g/h. Methanol was the primary emission (140-360 ngC/g/h), followed by acetaldehyde, butene and butanol and acetone with emission rates between 70-200 ngC/g/h. The emissions of propene and methyl ethyl ketone (MEK) were <80 ngC/g/h, and those of isoprene and C5-alcohols were between 10-130 ngC/g/h. The oxygenated species represented 70-75% of the total. The emission of VOCs was found to vary by up to a factor of three between plants of the same species, and by up to a factor of two between the different species. The annual source of methanol from savanna grasses worldwide estimated in this work was 3 to 4.4 TgC, which could represent up to 12% of the current estimated global emission from terrestrial vegetation. Two of the studied tree species, were isoprene emitters, and isoprene was also their primary emission (which accounted for 70-94% of the total carbon emitted) followed by methanol and butene + butanol. The daytime average emission rate of isoprene measured in the wet season was 27 mgC/g/h for B. crassifolia, and 123 mgC/g/h for C. vitifolium. The daytime emissions of methanol and butene + butanol were between 0.3 and 2 mgC/g/h. The total sum of VOCs emission measured during the day in the wet season was between 30 and 130 mgC/g/h. In the dry season, in contrast, the methanol emissions from C. vitifolium saplings –whose leaves were still developing– were an order of magnitude higher than in the wet season (15 mgC/g/h). The isoprene emission from B. crassifolia in the dry season was comparable to the emission in the wet season, whereas isoprene emission from C. vitifolium was about a factor of three lower (~43 mgC/g/h). Biogenic emission inventories show that isoprenoids are the most prominent and best-studied compounds. The standard emission rates of isoprene and monoterpenes of the measured savanna trees were in the lower end of the range found in the literature. The emission of other biogenic VOCs has been sparsely investigated, but in general, the standard emissions from trees studied here were within the range observed in previous investigations. The biomass burning study comprised the measurement of VOCs and other trace-gas emissions of 44 fires from 15 different fuel types, primarily from Africa and Indonesia, in a combustion laboratory. The average sum of emissions (excluding CO2, CO and NO) from African fuels was ~18 g(VOC)/kg. Six of the ten most important emissions were oxygenated VOCs. Acetic acid was the major emission, followed by methanol and formaldehyde. The emission of methane was of the same order as the methanol emission (~5 g/kg), and that of nitrogen-containing compounds was ~1 g/kg. An estimate of the VOC source from biomass burning of savannas and grasslands worldwide suggests that the sum of emissions is about 56 Tg/yr, of which 34 Tg correspond to oxygenated VOCs, 14 Tg to unsaturated and aromatic compounds, 5 Tg to methane and 3 Tg to N-compounds. The estimated emissions of CO, CO2 and NO are 216, 5117 and 9.4 Tg/yr, respectively. The emission factors reported here for Indonesian fuels are the first results of laboratory fires using Indonesian fuels. Acetic acid was the highest organic emission, followed by acetol, a compound not previously reported in smoke, methane, mass 97 (tentatively identified as furfural, dimethylfuran and ethylfuran), and methanol. The sum of total emissions of Indonesian fuels was 91 g/kg, which is 5 times higher than the emissions from African fuels. The results of this study reinforces the importance of oxygenated compounds. Due to the vast area covered by tropical savannas worldwide, the biogenic and biomass burning emission of methanol and other oxygenated compounds may be important for the regional and even global tropospheric chemistry.

Die 18 F-Fluorierung verschiedener Aminosäuren als Tracer für die Tumor-Diagnostik mittels Positronen-Emissions-Tomographie

Die Zielsetzung dieser Arbeit war die Synthese und Markierung, sowie die in vitro- und in vivo-Evaluierung zweier markierter Aminosäure. Es wurden die PET-Tumor-Tracer C1-(2-[18F]Fluoreth- ylamino)-asparagin und S-2-Amino-4-[18F]fluor-butansäure synthetisiert. Die Markierung zum C1-(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin wurde mit 2-[18F]Fluorethylamin als Precursor durchgeführt. Ausgehend von N,N-Dibenzyl-(2-bromethyl)-amin wurde zunächst N,N-Dibenzyl-(2-[18F]fluorethyl)-amin in einer nukleophilen Substiution mit [18F]Fluorid in Acetonitril bei 80 °C mit einer Reaktionsdauer von 5 min dargestellt. Zur Abtrennung überschüssigen [18F]Fluorids wurde das Roh-Produkt auf einer Sep-Pak Plus Kartusche (C18) fixiert und mit Acetonitril eluiert. Die Abspaltung der Benzyl-Schutzgruppen erfolgte durch die Zugabe von Pd/C zu dem eluierten N,N-Dibenzyl-(2-[18F]fluorethyl)-amin und Behandelung der Lösung im leichten Wasserstoffstrom. Im finalen Aufreinigungsschritt wird der Katalysator Pd/C mittels eines Membranfilters abgetrennt. Das 2-[18F]Fluorethylamin wird im Sauren in das Amino-Salz überführt und im Vakuum vom Lösungsmittel befreit. Die Markierung zum C1-(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin wurde in DMF durchgeführt. Die höchsten Ausbeuten werden nach 4 min bei 60 °C erhalten. Die Abspaltung der Schutzgruppe erfolgt durch Trifluoressigsäure bei Raumtemperatur in 8 min. Die Aufreinigung des C1-(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin mittels HPLC und Festphasenextraktion liegt das Produkt in einer isotonischne isotonischen Kochsalzlösung vor. Die in vitro-Versuche wurden mit C1-(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin an 5 verschiedenen Zelllinen durchgeführt, 3 Plattenepitele und 2 Melanome. Hierbei konnte eine erhöhte Akkumulation von C1 -(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin beobachtet werden, die innerhalb von 20 min einen konstanten Wert erreicht. Ein Blockade-Experiment zeigte, dass sich die Aufnahme von C1 -(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin durch gesättinge Asparagin-Lösung bei den Plattenepitelen gar nicht und bei den Melanomen nur leicht vermindern ließ. Da die Aufnahme von C1-(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin in die Zellen höher war als bei FDG bei dem gleichen Versuchsaufbau, wurden in vivo-Versuche angesetzt. Die in vivo-Versuche an Sprague Dawley Ratten mit C1-(2-[18 F]Fluorethylamino)-asparagin zeigten keine messbare Anreicherung von C1-(2-[18F]Fluorethylamino)-asparagin in Tumoren. Fast die komplette Aktivität wurde in der Niere und Blase wiedergefunden. Die Synthese von S-2-Amino-4-[18F]fluor-butansäure wurde über stereodirigierende Auxilliare realisiert. Dazu wurden die geeignetsten Auxillare ausgewählt und auf ihre Eignung verglichen. Der Vergleich der stereodirigierenden Auxilare zeigte, dass das (1R,2R,5R)-2-Hydroxy-2,6,6-trimethyl- bicyclo[3.1.1]hept-3-ylidenamino)-essigsäure tert.-butylester (Laue-Auxillar) am geeignetesten ist. Die 18F-Markierung von S-2-Amino-4-[18F]fluor-butansäure wurde so optimiert, dass eine möglichst hohe stereochemische Reinheit des Produktes erzielt wird. Die optische Reinheit von S-2-Amino-4-[18 F]fluor-butansäure wurde mit > 93 % ee berechnet. Die Synthese des Markierungsvorläufers wurde ausgehend vom Laue-Auxilliar aufgebaut. Als Abgangsgruppe hat sich die Tosylgruppe besonders bewährt. Sie lässt sich unter besonders schonenden Bedingungen in den säurelabilen (1R,2R,5R)-4-Hydroxy-2-(2-hydroxy-2,6,6-trimethyl-bi- cyclo[3.1.1]hept-3-ylidenamino) butansäure tert.-butylester einführen. Bei der 18F-Markierung von S-2-Amino-4-[18F]fluor-butansäure mittels n.c.a. [18F]Fluorid hat sich die Wahl des Basensystems als besonders wichtig erwiesen. Die maximale Ausbeuten von 55% wurde mit Oxalat als Basensystem in Acetonitril bei 80 °C und einer Reaktionszeit von 15 min erzielen. Die Abspaltung der Schutzgruppen und die Abtrennung des Produktes wird in mehreren Schritten durchgeführt einschließlich einer HPLC-Abtrennung. Es wird nach 150 min Synthesedauer das gereinigte S-2-Amino-4-[18F]fluor-butansäure in isotonischer Kochsalzlösung mit einer Ausbeute von > 10 % RCA erhalten. Bei in vivo-Versuchen an Sprague Dawley Ratten reicherte sich der Hauptteil der Aktivität in der Niere an und nur weniger als ein halbes Prozent der applizierten Aktivität fand sich in den Tumoren wieder. Nach 10 min wurde ein maximaler Wert erreicht, der sich bis zum Ende der Messung nicht verändert. Das Verhältnis von Tumoraktivität zu unspezifisch-gebundener Aktivität betrug 2,2. Damit liegt das Verhältnis im Bereich der meisten klinisch eingesetzten PET-Tumor-Tracer wie dem des O-(2-[18F]Fluorethyl)-L-tyrosin mit 1,5.

Synthese, 18 F-Markierung, 11 C-Markierung und Evaluierung Hydantoin-substituierter Indolcarbonsäuren zur Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Der N-methyl-D-aspartat-Rezeptor (NMDA), als Vertreter ionotroper Glutamat-Rezeptoren, ist essentiell für physiologische Lern- und Gedächtnisvorgänge und eine krankhafte Überaktivierung wird als potentielle Ursache für eine Reihe von akuten und chronischen neurodegenerativen Erkrankungen angesehen. Hierbei sind für die akuten Erkrankungen vor allem der Schlaganfall und für die chronischen Erkrankungen Morbus Parkinson sowie die Alzheimer´sche Demenz zu nennen. Durch seine einzigartige spannungsabhängige Mg2+-Blockade und der Notwendigkeit der gleichzeitigen Anwesenheit der endogenen Liganden Glutamat und Glycin zur Rezeptoraktivierung, stellt dieser Rezeptorkomplex daher ein sehr interessantes molekulares Target dar. NMDA-Rezeptor-Antagonisten der Glycin-Bindungsstelle und der verschiedenen allosterischen Bindungsstellen könnten als Neuroprotektiva bei den verschiedenen Krankheiten eine symptomatische Verbesserung bewirken und zur Therapie eingesetzt werden. Eine visuelle Darstellung des Rezeptors im Rahmen von Vorsorgeuntersuchungen ist jedoch derzeit nicht möglich. Zur Visualisierung dieser Prozesse mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wurden basierend auf einer Hydantoin-substituierten Indol-2-carbonsäure als Leitstruktur, im Rahmen dieser Arbeit Fluorethoxy- und Methoxy-substituierte Derivate dargestellt und in pharmazeutischen und radiopharmazeutischen Studien evaluiert. Dazu wurde die Affinität und Spezifität zum Rezeptor in einem [3H]MDL-105,519 Rezeptorbindungsassay und die Lipophilie als Parameter für die Hirngängigkeit ermittelt. Anhand dieser Resultate wurden geeignete Markierungsvorläufer synthetisiert, welche eine phenolische Hydroxylfunktion besitzen und eine radioaktive Markierung mit den sekundären Markierungsvorläufern 2-[18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [11C]Methyliodid ([11C]CH3I) ermöglichen. Unter Verwendung von 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure wurde in einer Einstufenreaktion mit [18F]FETos die Zielverbindung 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Ausbeuten von 6 % erhalten. Daher wurde eine alternative Markierung des Ethylester-geschützten Derivates 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in einer Zweistufensynthese mit [18F]FETos und [11C]CH3I untersucht. Unter Verwendung dieser Strategie wurden unter optimierten Bedingungen 4,6-Dichlor-3-((3-4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxy-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)-methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in radiochemischen Ausbeuten von 27 – 38 % erhalten. Die anschließende Entfernung der Schutzgruppe führte unter Bildung von Neben- und Zersetzungsreaktionen zu 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Gesamtausbeuten von 5 – 7 %. Die Überprüfung des biochemischen Konzepts in vivo durch µ-PET-Studien und durch autoradiographische Experimente an Rattenhirnschnitten, deuten auf eine niedrige in vivo-Aktivität hin, welche sich auf eine nicht ausreichende Passage der Blut-Hirn-Schranke zurückführen lässt.

Molekulargenetische Untersuchungen zur Reblausresistenz bei der Unterlagsrebe Börner

Dass Pflanzen gegen phytopathogene Infektionen resistent sind, ist das Ergebnis von multip-len Abwehrreaktionen. Eine solche ist auch die Hypersensitivitätsreaktion (HR). Sie ist die Folge eines Befalls von Börner mit Rebläusen und zeigt sich an Blättern und Wurzeln der resistenten Unterlagsrebe in Form von lokalen Nekrosen. Die Erzeugung von neuen, trans-genen reblausresistenten Unterlagsreben verlangt präzise Kenntnisse über die Mechanismen der Reblausresistenz. Um Resistenzgene zu identifizieren, wurden im Rahmen dieser Arbeit differenzielle Genexpressionsanalysen eingesetzt. Diese waren die Microarray Analyse mit der Geniom one Technik und die real time (RT) -PCR. Sie erlaubten eine Gegenüberstellung der Genexpression in behandeltem Wurzelgewebe mit der Expression im Normalgewebe der Unterlagsrebe Börner. Als experimenteller Induktor der HR in Börner diente die Indol-3-Essigsäure (IES), ein Bestandteil des Reblausspeichels. Frühere Untersuchungen zur Reb-lausresistenz zeigten, dass bei einer Behandlung mit IAA an Wurzeln von Börner Nekrosen entstehen, nicht jedoch an Wurzeln von der reblaustoleranten Unterlagssorte SO4 oder dem reblausanfälligem Edelreis. Das war der Grund, SO4 und Riesling als Vergleichsobjekte zu Börner für diese Studie auszuwählen. So sollte die Bedeutung der Rolle von IES als Auslö-ser der Resistenzmechanismen in Börner erklärt werden. Insgesamt konnten deutliche Unter-schiede in den Reaktionen der drei Rebsorten auf die IES Behandlung aufgedeckt werden. Während in Börner eine hohe Anzahl an Genen und diese intensiv auf den IES Reiz reagiert, fallen die Gene bei SO4 und Riesling zahlenmäßig kaum ins Gewicht und die Reaktionen der beiden Sorten auf IES zudem eher schwach aus. In der Summe waren es 27 Gene, die für die Reblausresistenz in Börner verantwortlich sein könnten. So konnte eine IES bedingte Aktivierung von Genen beobachtet werden, die bei der Produktion von Phytoalexinen be-deutsam sind, wie z.B. die phenylalanine ammonia-lyase, die lipoxygenase und die stilbene synthase. Weiter ließ sich eine Regulation von allgemein Stress assoziierten Genen und von Zellwandproteinen und eine Induktion von Signalkomponenten, etwa des Transkriptionsfak-tors ethylene response factor, nachweisen. Eine deutliche Hochregulation von Au-xintransportern in den IES behandelten Börnerwurzeln gab zudem Anhaltspunkte auf sorten-spezifische Unterschiede in der zellulären Aufnahme und Abgabe der IES. Durch die Ausar-beitung des Zusammenspiels der durch IES regulierten Gene konnten in dieser Arbeit wert-volle Hinweise auf die Mechanismen der Reblausresistenz in Börner gewonnen werden.

Synthese, Evaluierung und 18 F-Markierung von neuen Liganden zur Visualisierung der Strychnin-insensitiven Bindungsstelle des NMDA-Rezeptors

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Gehirn. Folglich spielen Glutamat-kontrollierte Rezeptorsysteme eine entscheidende Rolle in neurologischen Vorgängen, wie beispielsweise in Lern- und Gedächtnisprozessen. Gerade der NMDA-Rezeptor ist in eine Vielzahl solcher Vorgänge involviert und wird vor allem mit neurodegenerativen Erkrankungen wie Chorea Huntington, Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und zerebraler Ischämie in Verbindung gebracht. Folglich stellt die Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus eine Möglichkeit dar, den Verlauf solcher Prozesse zu untersuchen.rnDie Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine leistungsstarke Anwendung in der molekularen Bildgebung und erlaubt die in vivo-Visualisierung sowie Quantifizierung biochemischer Prozesse. Durch die Verwendung geeigneter Tracer können bestimmte pathologische und neurologische Abläufe beurteilt werden. rnZurzeit sind keine geeigneten PET-Tracer zur Untersuchung des NMDA-Rezeptors verfügbar. Bisher dargestellte PET-Liganden zeichneten sich durch nicht zufriedenstellende Affinitäten und Selektivitäten aus und führten meist auf Grund der hohen Lipophilie zu einem hohen Maß an unspezifischer Bindung. rnDie Strychnin-insensitive Glycinbindungsstelle des NMDA-Rezeptors stellt ein vielversprechendes Target dar, spezifische Liganden für diese Bindungsstelle zu synthetisieren. Hier zeichnen sich einige Verbindungsklassen durch exzellente Affinitäten und Selektivitäten sowie durch vielversprechende in vivo-Eigenschaften aus. rnAuf Grundlage dieser biologischen Daten wurden zwei Substanzen der 2-Indolcarbonsäure, nämlich die 4,6-Dichlor-3-(2-oxo-3-phenylimidazolidin-1-ylmethyl)-1H-indol-2-carbonsäure (MDJ-114) und die (E)-4,6-Dichlor-3-(2-phenylcarbamoylvinyl)-1H-indol-2-carbonsäure (GV150526), als Leitstruktur gewählt. Ferner wurde das 7-Chlor-4-hydroxy-3-(3-phenoxyphenyl)-1H-chinolin-2-on (L-701,324) aus der Substanzklasse der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-one als dritte Leitstruktur gewählt.rnFür diese Substanzen wurden 19F-markierte Analogverbindungen synthetisiert, um als inaktive Referenzverbindungen auf ihre Eignung überprüft zu werden. Hierzu wurde eine Fluorethoxygruppierung im terminalen Phenylring der entsprechenden Leitstruktur eingeführt. Durch Variation der Fluorethoxysubstitution in ortho-, meta- und para-Stellung, konnten die besten Affinitäten in einem kompetitiven Rezeptorbindungsassay durch Verdrängung von [3H]MDL-105,519 bestimmt werden. Als Maß für die Lipophilie wurden die entsprechenden log D-Werte über die HPLC-Methode bestimmt. Basierend auf den Ergebnissen der Evaluierung wurden zwei Derivate identifiziert, welche zur 18F-Markierung genutzt werden sollten (GV150526-Derivat 34: log D = 0,23 ± 0,03, IC50 = 0,20 ± 0,25 µM, Ki = 0,13 ± 0,16 µM; L701,324-Derivat 55: log D = - 0,25 ± 0,01, IC50 = 78 ± 37 µM, Ki = 51 ± 24 µM). Die 18F-Markierung erfolgte durch die Reaktion des entsprechenden Markierungsvorläufers mit dem Markierungssynthon 2-[18F]Fluorethyltosylat, welches durch die Umsetzung von Ethylenditosylat mit [18F]Fluorid hergestellt wurde. Die Radiosynthesen der beiden 18F-markierten Verbindungen [18F]34 (4,6-Dichlor-3-{2-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenylcarbamoyl]-vinyl}-1H-indol-2-carbonsäure) und [18F]55 (7-Chlor-3-{3-[4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenoxy]-phenyl}-4-hydroxy-1H-chinolin-2-on) wurden optimiert sowie semipräparative Abtrennverfahren entwickelt. Beide Tracer wurden auf ihre in vivo-Eignung im µPET-Experiment untersucht. Die Zeitaktivitätskurven lassen erkennen, dass beide Tracer entgegen der Erwartung nicht die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Für das GV150526-Derivat ([18F]34) wurden zusätzlich Autoradiographiestudien durchgeführt. Die erhaltenen Aufnahmen zeigten ein heterogenes Verteilungsmuster der Aktivitätsanreicherung. Ebenso wurde ein hohes Maß an unspezifischer Bindung beobachtet. Möglicherweise sind Cross-Affinitäten zu anderen Rezeptorsystemen oder der recht hohe lipophile Rest des Moleküls hierfür verantwortlich. Ein Grund für die unzureichende Hirngängigkeit der Radioliganden kann sich in der Carboxylatfunktion des GV150526-Derivats bzw. in der 4-Hydroxy-1H-chinolin-2-on-Einheit des L-701,324-Derivats wiederspiegeln. rnAuf Grundlage dieser Resultate können Versuche unternommen werden, für die Verbindungsklasse der 2-Indolcarbonsäuren entsprechende Ester als Prodrugs mit einer verbesserten Bioverfügbarkeit darzustellen. Ebenso können neue Strukturen als Grundlage für neue PET-Tracer untersucht werden.rnrn

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

Unexpected sensitivity of sst2 antagonists to N-terminal radiometal modifications

Chelated somatostatin agonists have been shown to be sensitive to N-terminal radiometal modifications, with Ga-DOTA agonists having significantly higher binding affinity than their Lu-, In-, and Y-DOTA correlates. Recently, somatostatin antagonists have been successfully developed as alternative tracers to agonists. The aim of this study was to evaluate whether chelated somatostatin antagonists are also sensitive to radiometal modifications and how. We have synthesized 3 different somatostatin antagonists, DOTA-p-NO(2)-Phe-c[D-Cys-Tyr-D-Aph(Cbm)-Lys-Thr-Cys]-D-Tyr-NH(2), DOTA-Cpa-c[D-Cys-Aph(Hor)-D-Aph(Cbm)-Lys-Thr-Cys]-D-Tyr-NH(2) (DOTA-JR11), and DOTA-p-Cl-Phe-c[D-Cys-Tyr-D-Aph(Cbm)-Lys-Thr-Cys]-D-Tyr-NH(2), and added various radiometals including In(III), Y(III), Lu(III), Cu(II), and Ga(III). We also replaced DOTA with 1,4,7-triazacyclononane,1-glutaric acid-4,7-acetic acid (NODAGA) and added Ga(III). The binding affinity of somatostatin receptors 1 through 5 was evaluated in all cases. In all 3 resulting antagonists, the Ga-DOTA analogs were the lowest-affinity radioligands, with a somatostatin receptor 2 binding affinity up to 60 times lower than the respective Y-DOTA, Lu-DOTA, or In-DOTA compounds. Interestingly, however, substitution of DOTA by the NODAGA chelator was able to increase massively its binding affinity in contrast to the Ga-DOTA analog. The 3 NODAGA analogs are antagonists in functional tests. In vivo biodistribution studies comparing (68)Ga-DOTATATE agonist with (68)Ga-DOTA-JR11 and (68)Ga-NODAGA-JR11 showed not only that the JR11 antagonist radioligands were superior to the agonist ligands but also that (68)Ga-NODAGA-JR11 was the tracer of choice and preferable to (68)Ga-DOTA-JR11 in transplantable HEK293-hsst(2) tumors in mice. One may therefore generalize that somatostatin receptor 2 antagonists are sensitive to radiometal modifications and may preferably be coupled with a (68)Ga-NODAGA chelator-radiometal complex.

Continuous Formation and Separation of Calcium-Alginate Capsules Containing Viable Mammalian Cells in Microfluidic Devices

Microfluidic devices can be used for many applications, including the formation of well-controlled emulsions. In this study, the capability to continuously create monodisperse droplets in a microfluidic device was used to form calcium-alginate capsules.Calcium-alginate capsules have many potential uses, such as immunoisolation of cells and microencapsulation of active drug ingredients or bitter agents in food or beverage products. The gelation of calcium-alginate capsules is achieved by crosslinking sodiumalginate with calcium ions. Calcium ions dissociated from calcium carbonate due to diffusion of acetic acid from a sunflower oil phase into an aqueous droplet containing sodium-alginate and calcium carbonate. After gelation, the capsules were separated from the continuous oil phase into an aqueous solution for use in biological applications. Typically, capsules are separated bycentrifugation, which can damage both the capsules and the encapsulated material. A passive method achieves separation without exposing the encapsulated material or the capsules to large mechanical forces, thereby preventing damage. To achieve passiveseparation, the use of a microfluidic device with opposing channel wa hydrophobicity was used to stabilize co-laminar flow of im of hydrophobicity is accomplished by defining one length of the channel with a hydrogel. The chosen hydrogel was poly (ethylene glycol) diacrylate, which adheres to the glass surface through the use of self-assembled monolayer of 3-(trichlorosilyl)-propyl methacrylate. Due to the difference in surface energy within the channel, the aqueous stream is stabilized near a hydrogel and the oil stream is stabilized near the thiolene based optical adhesive defining the opposing length of the channel. Passive separation with co-laminar flow has shown success in continuously separating calcium-alginatecapsules from an oil phase into an aqueous phase. In addition to successful formation and separation of calcium alginate capsules,encapsulation of Latex micro-beads and viable mammalian cells has been achieved. The viability of encapsulated mammalian cells was determined using a live/dead stain. The co-laminar flow device has also been demonstrated as a means of separating liquid-liquidemulsions.

Determination of creatine and phosphocreatine in muscle biopsy samples by capillary electrophoresis with contactless conductivity detection

A capillary electrophoresis method with contactless conductivity detection was evaluated as a new approach for quantification of creatine and phosphocreatine in human quadriceps femoris biopsy samples. The running buffers employed consisted of 1 M acetic acid at a pH of 2.3 for the determination of creatine and 50 mM 3-(N-morpholino)propanesulfonic acid/30 mM histidine at a pH of 6.4 for the determination of phosphocreatine in the centrifuged muscle extracts. The limits of detection for creatine and phosphocreatine were found to be 2.5 and 1.0 μM, respectively. Creatine and phosphocreatine were determined in six human muscle biopsy samples and the results were found comparable to those of a standard enzymatic assay. The procedures developed for creatine and phosphocreatine also allow the determination of creatinine as well as adenosine diphosphate and adenosine triphosphate.

Zoledronic acid efficacy and safety over five years in postmenopausal osteoporosis

In a 5-year study involving 119 postmenopausal women, zoledronic acid 4 mg given once-yearly for 2, 3 or 5 years was well tolerated with no evidence of excessive bone turnover reduction or any safety signals. BMD increased significantly. Bone turnover markers decreased from baseline and were maintained within premenopausal reference ranges. INTRODUCTION: After completion of the core study, two consecutive, 2-year, open-label extensions investigated the efficacy and safety of zoledronic acid 4 mg over 5 years in postmenopausal osteoporosis. METHODS: In the core study, patients received 1 to 4 mg zoledronic acid or placebo. In the first extension, most patients received 4 mg per year and then patients entered the second extension and received 4 mg per year or calcium only. Patients were divided into three subgroups according to years of active treatment received (2, 3 or 5 years). Changes in BMD and bone turnover markers (bone ALP and CTX-I) were assessed. RESULTS: All subgroups showed substantial increases in BMD and decreases in bone markers. By the end of the core study, 37.5% of patients revealed a suboptimal reduction (< 30%) of bone ALP levels. After subsequent study drug administration during the extensions, there was no evidence of progressive reduction of bone turnover markers. Furthermore, increased marker levels after treatment discontinuation demonstrates preservation of bone remodelling capacity. CONCLUSIONS: This study showed that zoledronic acid 4 mg once-yearly was well tolerated and effective in reducing biomarkers over 5 years. Detailed analysis of bone marker changes, however, suggests that this drug regimen causes insufficient reduction of remodelling activity in one third of patients.

Optimization of ethanol production by yeasts from lignocellulosic feedstocks

Ethanol from lignocellulosic feedstocks is not currently competitive with corn-based ethanol in terms of yields and commercial feasibility. Through optimization of the pretreatment and fermentation steps this could change. The overall goal of this study was to evaluate, characterize, and optimize ethanol production from lignocellulosic feedstocks by the yeasts Saccharomyces cerevisiae (strain Ethanol Red, ER) and Pichia stipitis CBS 6054. Through a series of fermentations and growth studies, P. stipitis CBS 6054 and S. cerevisiae (ER) were evaluated on their ability to produce ethanol from both single substrate (xylose and glucose) and mixed substrate (five sugars present in hemicellulose) fermentations. The yeasts were also evaluated on their ability to produce ethanol from dilute acid pretreated hydrolysate and enzymatic hydrolysate. Hardwood (aspen), softwood (balsam), and herbaceous (switchgrass) hydrolysates were also tested to determine the effect of the source of the feedstock. P. stipitis produced ethanol from 66-98% of the theoretical yield throughout the fermentation studies completed over the course of this work. S. cerevisiae (ER) was determined to not be ideal for dilute acid pretreated lignocellulose because it was not able to utilize all the sugars found in hemicellulose. S. cerevisiae (ER) was instead used to optimize enzymatic pretreated lignocellulose that contained only glucose monomers. It was able to produce ethanol from enzymatically pretreated hydrolysate but the sugar level was so low (>3 g/L) that it would not be commercially feasible. Two lignocellulosic degradation products, furfural and acetic acid, were evaluated for whether or not they had an inhibitory effect on biomass production, substrate utilization, and ethanol production by P. stipitis and S. cerevisiae (ER). It was determined that inhibition is directly related to the concentration of the inhibitor and the organism. The final phase for this thesis focused on adapting P. stipitis CBS 6054 to toxic compounds present in dilute acid pretreated hydrolysate through directed evolution. Cultures were transferred to increasing concentrations of dilute acid pretreated hydrolysate in the fermentation media. The adapted strains’ fermentation capabilities were tested against the unadapted parent strain at each hydrolysate concentration. The fermentation capabilities of the adapted strain were significantly improved over the unadapted parentstrain. On media containing 60% hydrolysate the adapted strain yielded 0.30 g_ethanol/g_sugar ± 0.033 (g/g) and the unadapted parent strain yielded 0.11 g/g ±0.028. The culture has been successfully adapted to growth on media containing 65%, 70%, 75%, and 80% hydrolysate but with below optimal ethanol yields (0.14-0.19 g/g). Cell recycle could be a viable option for improving ethanol yields in these cases. A study was conducted to determine the optimal media for production of ethanol from xylose and mixed substrate fermentations by P. stipitis. Growth, substrate utilization, and ethanol production were the three factors used to evaluate the media. The three media tested were Yeast Peptone (YP), Yeast Nitrogen Base (YNB), and Corn Steep Liquor (CSL). The ethanol yields (g/g) for each medium are as follows: YP - 0.40-0.42, YNB -0.28-.030, and CSL - 0.44-.051. The results show that media containing CSL result in slightly higher ethanol yields then other fermentation media. P. stipitis was successfully adapted to dilute acid pretreated aspen hydrolysate in increasing concentrations in order to produce higher ethanol yields compared to the unadapted parent strain. S. cerevisiae (ER) produced ethanol from enzymatic pretreated cellulose containing low concentrations of glucose (1-3g/L). These results show that fermentations of lignocellulosic feedstocks can be optimized based on the substrate and organism for increased ethanol yields.

Regioselective preparation of 5-hydroxypropranolol and 4'-hydroxydiclofenac with a fungal peroxygenase

An extracellular peroxygenase of Agrocybe aegerita catalyzed the H(2)O(2)-dependent hydroxylation of the multi-function beta-adrenergic blocker propranolol (1-naphthalen-1-yloxy-3-(propan-2-ylamino)propan-2-ol) and the non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac (2-[2-[(2,6-dichlorophenyl)amino]phenyl]acetic acid) to give the human drug metabolites 5-hydroxypropranolol (5-OHP) and 4'-hydroxydiclofenac (4'-OHD). The reactions proceeded regioselectively with high isomeric purity and gave the desired 5-OHP and 4'-OHD in yields up to 20% and 65%, respectively. (18)O-labeling experiments showed that the phenolic hydroxyl groups in 5-OHP and 4'-OHD originated from H(2)O(2), which establishes that the reaction is mechanistically a peroxygenation. Our results raise the possibility that fungal peroxygenases may be useful for versatile, cost-effective, and scalable syntheses of drug metabolites.

N-terminal modifications improve the receptor affinity and pharmacokinetics of radiolabeled peptidic gastrin-releasing peptide receptor antagonists: examples of 68Ga- and 64Cu-labeled peptides for PET imaging

UNLABELLED Gastrin-releasing peptide receptors (GRPrs) are overexpressed on a variety of human cancers, providing the opportunity for peptide receptor targeting via radiolabeled bombesin-based peptides. As part of our ongoing investigations into the development of improved GRPr antagonists, this study aimed at verifying whether and how N-terminal modulations improve the affinity and pharmacokinetics of radiolabeled GRPr antagonists. METHODS The potent GRPr antagonist MJ9, Pip-d-Phe-Gln-Trp-Ala-Val-Gly-His-Sta-Leu-NH(2) (Pip, 4-amino-1-carboxymethyl-piperidine), was conjugated to 1,4,7-triazacyclononane, 1-glutaric acid-4,7 acetic acid (NODAGA), and 1,4,7-triazacyclononane-1,4,7-triacetic acid (NOTA) and radiolabeled with (68)Ga and (64)Cu. The GRPr affinity of the corresponding metalloconjugates was determined using (125)I-Tyr(4)-BN as a radioligand. The labeling efficiency of (68)Ga(3+) was compared between NODAGA-MJ9 and NOTA-MJ9 in acetate buffer, at room temperature and at 95°C. The (68)Ga and (64)Cu conjugates were further evaluated in vivo in PC3 tumor xenografts by biodistribution and PET imaging studies. RESULTS The half maximum inhibitory concentrations of all the metalloconjugates are in the high picomolar-low nanomolar range, and these are the most affine-radiolabeled GRPr antagonists we have studied so far in our laboratory. NODAGA-MJ9 incorporates (68)Ga(3+) nearly quantitatively (>98%) at room temperature within 10 min and at much lower peptide concentrations (1.4 × 10(-6) M) than NOTA-MJ9, for which the labeling yield was approximately 45% under the same conditions and increased to 75% at 95°C for 5 min. Biodistribution studies showed high and specific tumor uptake, with a maximum of 23.3 ± 2.0 percentage injected activity per gram of tissue (%IA/g) for (68)Ga-NOTA-MJ9 and 16.7 ± 2.0 %IA/g for (68)Ga-NODAGA-MJ9 at 1 h after injection. The acquisition of PET images with the (64)Cu-MJ9 conjugates at later time points clearly showed the efficient clearance of the accumulated activity from the background already at 4 h after injection, whereas tumor uptake still remained high. The high pancreas uptake for all radiotracers at 1 h after injection was rapidly washed out, resulting in an increased tumor-to-pancreas ratio at later time points. CONCLUSION We have developed 2 GRPr antagonistic radioligands, which are improved in terms of binding affinity and overall biodistribution profile. Their promising in vivo pharmacokinetic performance may contribute to the improvement of the diagnostic imaging of tumors overexpressing GRPr.

Noninvasive Urinary Metabolomic Profiling Identifies Diagnostic and Prognostic Markers in Lung Cancer

Lung cancer remains the most common cause of cancer deaths worldwide, yet there is currently a lack of diagnostic noninvasive biomarkers that could guide treatment decisions. Small molecules (<1,500 Da) were measured in urine collected from 469 patients with lung cancer and 536 population controls using unbiased liquid chromatography/mass spectrometry. Clinical putative diagnostic and prognostic biomarkers were validated by quantitation and normalized to creatinine levels at two different time points and further confirmed in an independent sample set, which comprises 80 cases and 78 population controls, with similar demographic and clinical characteristics when compared with the training set. Creatine riboside (IUPAC name: 2-{2-[(2R,3R,4S,5R)-3,4-dihydroxy-5-(hydroxymethyl)-oxolan-2-yl]-1-methylcarbamimidamido}acetic acid), a novel molecule identified in this study, and N-acetylneuraminic acid (NANA) were each significantly (P < 0.00001) elevated in non-small cell lung cancer and associated with worse prognosis [HR = 1.81 (P = 0.0002), and 1.54 (P = 0.025), respectively]. Creatine riboside was the strongest classifier of lung cancer status in all and stage I-II cases, important for early detection, and also associated with worse prognosis in stage I-II lung cancer (HR = 1.71, P = 0.048). All measurements were highly reproducible with intraclass correlation coefficients ranging from 0.82 to 0.99. Both metabolites were significantly (P < 0.03) enriched in tumor tissue compared with adjacent nontumor tissue (N = 48), thus revealing their direct association with tumor metabolism. Creatine riboside and NANA may be robust urinary clinical metabolomic markers that are elevated in tumor tissue and associated with early lung cancer diagnosis and worse prognosis.

(Table 1) Planktonic foraminifer abundance and stable isotope ratios of a sediment core near Baddeckenstedt, north Germany

A refined sample processing technique using glacial acetic acid has been applied to Upper Cenomanian and Lower Turonian limestones from Baddeckenstedt (Lower Saxony) enabeling the first quantitative analysis of planktonic foraminiferal populations through the Stage boundary succession in northwestern Germany. Measurements of carbonate contents, organic carbon and stable carbon and oxygen isotopes were also reported. These data allow a correlation to be made of the Baddeckenstedt section with those at Misburg (basinal facies, northwestern Germany) and Dover (Plenus Marls, southern England). Significant maxima of the organic carbon content at Baddeckenstedt correspond to prominent black shale couplets at Misburg. The planktonic foraminiferal generic groups show at Baddeckenstedt similar fluctuations as reported from Dover. Their correlation reveals details of a complex paleoceanographic regime in the NW-German Basin during the Cenomanian/Turonian Oceanic Anoxic Event.