Emerging contaminants in agricultural ecosystems: impact of selected pharmaceutical on water and soil ecology and pratical implications

Pharmaceuticals are useful tools to prevent and treat human and animal diseases. Following administration, a significant fraction of pharmaceuticals is excreted unaltered into faeces and urine and may enter the aquatic ecosystem and agricultural soil through irrigation with recycled water, constituting a significant source of emerging contaminants into the environment. Understanding major factors influencing their environmental fate is consequently needed to value the risk, reduce contamination, and set up bioremediation technologies. The antiviral drug Tamiflu (oseltamivir carboxylate, OC) has received recent attention due to the potential use as a first line defence against H5N1 and H1N1 influenza viruses. Research has shown that OC is not removed during conventional wastewater treatments, thus having the potential to enter surface water bodies. A series of laboratory experiments investigated the fate and the removal of OC in surface water systems in Italy and Japan and in a municipal wastewater treatment plant. A preliminary laboratory study investigated the persistence of the active antiviral drug in water samples from an irrigation canal in northern Italy (Canale Emiliano Romagnolo). After an initial rapid decrease, OC concentration slowly decreased during the remaining incubation period. Approximately 65% of the initial OC amount remained in water at the end of the 36-day incubation period. A negligible amount of OC was lost both from sterilized water and from sterilized water/sediment samples, suggesting a significant role of microbial degradation. Stimulating microbial processes by the addition of sediments resulted in reduced OC persistence. Presence of OC (1.5 μg mL-1) did not significantly affect the metabolic potential of the water microbial population, that was estimated by glyphosate and metolachlor mineralization. In contrast, OC caused an initial transient decrease in the size of the indigenous microbial population of water samples. A second laboratory study focused on basic processes governing the environmental fate of OC in surface water from two contrasting aquatic ecosystems of northern Italy, the River Po and the Venice Lagoon. Results of this study confirmed the potential of OC to persist in surface water. However, the addition of 5% of sediments resulted in rapid OC degradation. The estimated half-life of OC in water/sediment of the River Po was 15 days. After three weeks of incubation at 20 °C, more than 8% of 14C-OC evolved as 14CO2 from water/sediment samples of the River Po and Venice Lagoon. OC was moderately retained onto coarse sediments from the two sites. In water/sediment samples of the River Po and Venice Lagoon treated with 14C-OC, more than 30% of the 14C-residues remained water-extractable after three weeks of incubation. The low affinity of OC to sediments suggests that the presence of sediments would not reduce its bioavailability to microbial degradation. Another series of laboratory experiments investigated the fate and the removal of OC in two surface water ecosystems of Japan and in the municipal wastewater treatment plant of the city of Bologna, in Northern Italy. The persistence of OC in surface water ranged from non-detectable degradation to a half-life of 53 days. After 40 days, less than 3% of radiolabeled OC evolved as 14CO2. The presence of sediments (5%) led to a significant increase of OC degradation and of mineralization rates. A more intense mineralization was observed in samples of the wastewater treatment plant when applying a long incubation period (40 days). More precisely, 76% and 37% of the initial radioactivity applied as 14C-OC was recovered as 14CO2 from samples of the biological tank and effluent water, respectively. Two bacterial strains growing on OC as sole carbon source were isolated and used for its removal from synthetic medium and environmental samples, including surface water and wastewater. Inoculation of water and wastewater samples with the two OC-degrading strains showed that mineralization of OC was significantly higher in both inoculated water and wastewater, than in uninoculated controls. Denaturing gradient gel electrophoresis and quantitative PCR analysis showed that OC would not affect the microbial population of surface water and wastewater. The capacity of the ligninolytic fungus Phanerochaete chrysosporium to degrade a wide variety of environmentally persistent xenobiotics has been largely reported in literature. In a series of laboratory experiments, the efficiency of a formulation using P. chrysosporium was evaluated for the removal of selected pharmaceuticals from wastewater samples. Addition of the fungus to samples of the wastewater treatment plant of Bologna significantly increased (P < 0.05) the removal of OC and three antibiotics, erythromycin, sulfamethoxazole, and ciprofloxacin. Similar effects were also observed in effluent water. OC was the most persistent of the four pharmaceuticals. After 30 days of incubation, approximately two times more OC was removed in bioremediated samples than in controls. The highest removal efficiency of the formulation was observed with the antibiotic ciprofloxacin. The studies included environmental aspects of soil contamination with two emerging veterinary contaminants, such as doramectin and oxibendazole, wich are common parasitic treatments in cattle farms.

Sustained-release formulations for compounds underlying intestinal drug efflux

ZusammenfassungDie Sekretion von Arzneistoffen aus Darmzellen zurück ins Darmlumen, die durch intestinale Transporter wie P-Glykoprotein (P-GP) vermittelt wird, stellt eine bekannte Quelle für unvollständige und variable Bioverfügbarkeiten und für Interaktionen mit anderen Arzneimitteln und Nahrungsbestandteilen dar. Dennoch liegen bisher keine Veröffentlichungen vor, die sich mit daraus resultierenden Konsequenzen für die Entwicklung neuer peroraler Darreichungsformen befassen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, deutlich zu machen, dass dem Auftreten von intestinalen Sekretionsphänomenen bei der Entwicklung von Retardarzneimitteln Rechnung getragen werden muss.Dazu wurden effektive Permeabilitäten für den Modellarzneistoff Talinolol in unterschiedlichen Darmabschnitten anhand eines Rattendarmperfusionsmodells bestimmt.Des weiteren wurde eine Retardformulierung für den Modellarzneistoff Talinolol entwickelt. Dabei wurde gezeigt, dass die Verwendung unterschiedlicher Puffer als Wirkstofffreisetzungmedien zur Ausbildung unterschiedlicher Talinolol-Kristallstrukturen führt.Die neu entwickelten Retardmatrixtabletten wurden mit Hilfe des Pharmakokinetik-Computersoftwareprogrammes Gastro Plus® evaluiert. Das Zusammenspiel von verlangsamter Wirkstofffreigabe aus der Arzneiform und intestinaler Sekretion führte zu einer deutlich verringerten Bioverfügbarkeit der Modellsubstanz Talinolol aus der Retardformulierung im Vergleich zu schnellfreisetzenden Arzneiformen.Daher sollte der Einfluß intestinaler sekretorischer Transporter wie P-GP bei der Entwicklung von Retardarzneiformen unbedingt berücksichtigt werden.

Vegetables biofortified with iodine: chemical, agronomic and qualitative aspects of raw and fried potatoes

Iodine is an essential microelement for human health because it is a constituent of the thyroid hormones that regulate growth and development of the organism. Iodine Deficiency Disorders (IDDs) are believed to be one of the commonest preventable human health problems in the world today, according to the World Health Organization: that diseases include endemic goiter, cretinism and fetal abnormalities, among others, and they are caused by lack of iodine in the diet, that is the main source of iodine. Since iodine intake from food is not enough respect to human needs, this can be remedied through dietary diversification, mineral supplementation, food fortification, or increasing the concentration and/or bioavailability of mineral elements in the edible portions of crops through agricultural intervention or genetic selection (biofortification). The introduction of iodized salt is a strategy widely used and accepted to eradicate iodine deficiency, because it is an inexpensive source of stable iodine. Since the intake of salt, though iodized, must still be limited according to the risk of cardiovascular disease, so the increase of iodine content in plants for the production of functional foods is representing a field of study of particular interest and a potential market. In Italy potatoes enriched with iodine are produced by a patented procedure of agronomic biofortification for the fresh market since several years, furthermore they are recently accepted and recommended by Italian Thyroid Association, as an alternative source of iodine. Researches performed during the PhD course intended to characterize this innovative vegetables products, focusing the attention on different aspects, such as chemistry, agriculture, and quality of fresh and fried potatoes. For this purpose, lipid fraction of raw material was firstly investigated, in order to assess whether the presence of iodine in plant metabolism can affect fatty acid or sterol biosynthesis, according to the hypothesis that iodine can be bounded to polyunsaturated fatty acids of cell membranes, protecting them from peroxydation; phytosterols of plant sterol are also studied because their importance in reducing serum cholesterol, especially in potato plant sterols are also involved in synthesis of glycoalkaloid, a family of steroidal toxic secondary metabolites present in plants of the Solanaceae family. To achieve this goal chromatographic analytical techniques were employed to identify and quantify fatty acids and sterols profile of common and iodine enriched row potatoes. Another aim of the project was to evaluate the effects of frying on the quality of iodine-enriched and common potatoes. Since iodine-enriched potatoes are nowadays produced only for the fresh market, preliminary trials of cultivation under controlled environment were carried out to verify if potato varieties suitable for processing were able to absorb and accumulate iodine in the tuber. In a successive phase, these varieties were grown in the field, to evaluate their potential productivity and quality at harvest and after storage. The best potato variety to be destined for processing purposes, was finally subjected to repeated frying cycles; the effects of lipid oxidation on the composition and quality of both potatoes and frying oil bath were evaluated by chromatographic and spectrophotometric analytical techniques. Special attention were paid on volatile compounds of fried potatoes.

Functional components and lipid quality assessment in vegetable foods: analytical and technological approaches

Lipids are important components that contribute very significantly to nutritional and technological quality of foods because they are the least stable macro-components in foods, due to high susceptibility to oxidation. When rancidity take place, it makes food unhealthy and unacceptable for consumers. Thus, the presence of antioxidants, naturally present of added to foods, is required to enhance shelf life of foods. Moreover, antioxidant like phenolic compounds play an important role in human health enhancing the functionality of foods. The aim of this PhD project was the study of lipid quality and lipid oxidation in different vegetable foods focusing on analytical and technological aspects in order to figure out the effects of lipid composition and bioactive compounds (phenolic compounds, omega-3 fatty acids and dietary fiber) addition on their shelf life. In addition, bioavailability and antioxidant effects of phenolic compounds in human and animals, respectively, were evaluated after consumption of vegetable foods. The first section of the work was focused on the evaluation of lipid quality impact on technological behaviour of vegetable foods. Because of that, cocoa butter with different melting point were evaluated by chromatographic techniques (GC, TLC) and the sample with the higher melting point showed the presence of fatty acids, triglycerides, 2-monoglycerides and FT-IR profile different from genuine cocoa butter, meaning an adding of foreign fat (lauric-fat) not allowed by the law. Looking at lipid quality of other vegetable foods, an accelerated shelf life test (OXITEST®), was used to evaluate of lipid stability to oxidation in tarallini snacks made up using different lipid matrices (sunflower oil, extravirgin olive oil and a blend of extravirgin olive oil and lard). The results showed a good ability of OXITEST® to discriminate between lipid unsaturation and different cooking times, without any samples fat extraction. In the second section, the role of bioactive compounds on cereal based food shelf life was studied in different bakeries by GC, spectrophotometric methods and capillary electrophoresis. It was examined the relationships between phenolic compounds, added with flour, and lipid oxidation of tarallini and frollini. Both products showed an increase in lipid oxidation during storage and antioxidant effects on lipid oxidation were not as expected. Furthermore, the influence of enrichment in polyunsaturated fatty acids on lipid oxidation of pasta was evaluated. The results proved that LC n-3 PUFA were not significantly implicated in the onset of oxidation in spaghetti stored under daylight and accelerated oxidation in a laboratory heater. The importance of phenolic compounds as antioxidant in humans and rats was also studied, by HPLC/MS in the latter section. For this purpose, apigenin and apigenin glycosides excretion was investigated in six women’s urine in a 24 hours study. After a single dose of steamed artichokes, both aglicone and glucuronide metabolites were recovered in 24 h urine. Moreover, the effect of whole grain durum wheat bread and whole grain Kamut® khorasan bread in rats were evaluated. Both cereals were good sources of antioxidants but Kamut® bread fed animals had a better response to stress than wheat durum fed, especially when a sourdough bread was supplied.

The release of zinc and lead from mine tailings

Mining and processing of metal ores are important causes of soil and groundwater contamination in many regions worldwide. Metal contaminations are a serious risk for the environment and human health. The assessment of metal contaminations in the soil is therefore an important task. A common approach to assess the environmental risk emanating from inorganic contaminations to soil and groundwater is the use of batch or column leaching tests. In this regard, the suitability of leaching tests is a controversial issue. In the first part of this work the applicability and comparability of common leaching tests in the scope of groundwater risk assessment of inorganic contamination is reviewed and critically discussed. Soil water sampling methods (the suction cup method and centrifugation) are addressed as an alternative to leaching tests. Reasons for limitations of the comparability of leaching test results are exposed and recommendations are given for the expedient application of leaching tests for groundwater risk assessment. Leaching tests are usually carried out in open contact with the atmosphere disregarding possible changes of redox conditions. This can affect the original metal speciation and distribution, particularly when anoxic samples are investigated. The influence of sample storage on leaching test results of sulfide bearing anoxic material from a former flotation dump is investigated in a long-term study. Since the oxidation of the sulfide-bearing samples leads to a significant overestimation of metal release, a feasible modification for the conduction of common leaching tests for anoxic material is proposed, where oxidation is prevented efficiently. A comparison of leaching test results to soil water analyzes have shown that the modified saturation soil extraction (SSE) is found to be the only of the tested leaching procedures, which can be recommended for the assessment of current soil water concentrations at anoxic sites if direct investigation of the soil water is impossible due to technical reasons. The vertical distribution and speciation of Zn and Pb in the flotation residues as well as metal concentrations in soil water and plants were investigated to evaluate the environmental risk arising from this site due to the release of metals. The variations in pH and inorganic C content show an acidification of the topsoil with pH values down to 5.5 in the soil and a soil water pH of 6 in 1 m depth. This is due to the oxidation of sulfides and depletion in carbonates. In the anoxic subsoil pH conditions are still neutral and soil water collected with suction cups is in equilibrium with carbonate minerals. Results from extended x-ray absorption fine-structure (EXAFS) spectroscopy confirm that Zn is mainly bound in sphalerite in the subsoil and weathering reactions lead to a redistribution of Zn in the topsoil. A loss of 35% Zn and S from the topsoil compared to the parent material with 10 g/kg Zn has been observed. 13% of total Zn in the topsoil can be regarded as mobile or easily mobilizable according to sequential chemical extractions (SCE). Zn concentrations of 10 mg/L were found in the soil water, where pH is acidic. Electron supply and the buffer capacity of the soil were identified as main factors controlling Zn mobility and release to the groundwater. Variable Pb concentrations up to 30 µg/L were observed in the soil water. In contrast to Zn, Pb is enriched in the mobile fraction of the oxidized topsoil by a factor of 2 compared to the subsoil with 2 g/kg Pb. 80% of the cation exchange capacity in the topsoil is occupied by Pb. Therefore, plant uptake and bioavailability are of major concern. If the site is not prevented from proceeding acidification in the future, a significant release of Zn, S, and Pb to the groundwater has to be expected. Results from this study show that the assessment of metal release especially from sulfide bearing anoxic material requires an extensive comprehension of leaching mechanisms on the one hand and on weathering processes, which influence the speciation and the mobility of metals, on the other hand. Processes, which may change redox and pH conditions in the future, have to be addressed to enable sound decisions for soil and groundwater protection and remediation.

Speziation mikrobiologisch alkylierter, leichtflüchtiger Selenverbindungen in Abhängigkeit der geochemischen Verfügbarkeit des Selens

Selen kann in verschiedenen Oxidationszuständen (+6, +4, ±0, -2) in unterschiedlichen Umweltkompartimenten auftreten. Verbundenen damit sind verschiedene Eigenschaften, wie z. B. die Wasserlöslichkeit, die in direktem Zusammenhang mit der Migrationsfähigkeit sowie der Bioverfügbarkeit steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Verfügbarkeit anorganischer Selenspezies und damit die Mobilisierbarkeit dieser in verschiedenen Laborexperimenten untersucht. Hierbei wurde an Goethit adsorbiertes Selenit sowohl mit einer Reinkultur des aktiv methylierenden Pilzes Alternaria alternata als auch mit einer angereicherten Umweltmischkultur inkubiert und die mikrobiologische Zugänglichkeit anhand der Bildung leichtflüchtiger, alkylierter Selenmetabolite wie z. B. Dimethylselenid und Dimethyldiselenid beobachtet. Zur Analyse dieser wurde eine cryotrapping-cryofocussing-GC-ICP-MS-Kopplung etabliert. Die Anteile der methylierten Selenverbindungen stiegen bei Verwendung von A. alternata mit der Inkubationszeit auf 10 % des gelösten Selens und 1 % des Gesamtselens an. Dieser Trend konnte während der Inkubation der Umweltmischkultur nicht beobachtet werden. Hier lagen die Anteile über den gesamten Untersuchungszeitraum bei ca. 0,5 % des gelösten bzw. 0,1 % des Gesamtselens, inklusive eines leichten Abwärtstrends, welcher wahrscheinlich durch die Nutzung der Alkylselenide als Kohlenstoffquelle hervorgerufen wurde. Weiterhin wurde das reduzierte Eisenselenidmineral Ferroselit eingesetzt, um dessen Stabilität gegenüber der Aktivität des sulfatreduzierenden Bakteriums Desulfovibrio gigas zu untersuchen. Mit zunehmender Inkubationszeit und damit verbundener, zunehmender Reduktion des im Nährmedium vorhandenen Sulfates konnte ein Anstieg leichtflüchtiger Organoselenverbindungen in der Gasphase der Kulturansätze festgestellt werden, die im unteren Nanogrammbereich lagen. Einhergehend damit wurde auch die Zunahme der Gehalte an gelöstem Selen und somit die biologisch bedingte Rücklösung aus der Mineral- in die Wasserphase beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivität von Mikroorganismen einen deutlichen Einfluss auf die Stabilität von Oberflächenkomplexen des Selenits als auch von mineralischen Selenidspezies hat.

Molecole bioattive naturali e sintetiche per la terapia di malattie da aumentato riassorbimento osseo

Le terapie convenzionali per le malattie da aumentato riassorbimento osseo sono limitate dalla tossicità sistemica, bassa biodisponibilità farmacologica e scarsa aderenza alle terapie. In questo studio sono stati considerati approcci terapeutici innovativi basati su composti naturali e sintetici. I) Valutazione dell'attività biologica di composti naturali. Evidenze sperimentali hanno dimostrato l’attività antiproliferativa ed antiapoptotica di piante della Medicina ayurvedica. Queste proprietà sono sfruttabili nel trattamento di malattie da aumentato riassorbimento osseo, come l'osteoporosi. Per chiarire i possibili effetti terapeutici di questi composti, sono stati studiati i decotti di Rubia cordifolia, Hemidesmus indicus, Emblica officinalis, ed Asparagus racemosus. Hemidesmis indicus si è dimostrato il più efficace. II) Valutazione dell'attività biologica di composti sintetici. I bisfosfonati (BP) sono farmaci capaci di legarsi alle superfici minerali ossee e all’idrossiapatite, nei siti di rimodellamento osseo. Poiché i BP inibiscono la funzione degli osteoclasti, sono convenzionalmente impiegati nel trattamento di malattie da aumentato riassorbimento osseo, come l'osteoporosi. Tuttavia, gli elevati costi e gli effetti collaterali legati alla somministrazione determinano una scarsa aderenza al trattamento condizionandone l’efficacia. Scopo di questo studio è stato quello di valutare l'attività biologica di BP chimicamente innovativi, meno tossici e sintetizzati con strategie catalitiche semplificate ed ecocompatibili, in modo da ridurre i costi di produzione. È stato valutato l’effetto citotossico e antiosteoclastico dei composti e confrontato con quello dei BP comunemente impiegati in clinica (neridronato, pamidronato e alendronato). I risultati sono stati considerati raggiunti qualora fossero identificati BP di nuova sintesi non citotossici e capaci di conservare almeno il 90% della capacità dei substrati di base di inibire il riassorbimento osseo. Tutti i composti di nuova sintesi sono risultati meno tossici del BP convenzionale, anche a concentrazioni più elevate ed i più efficaci sono stati un BP coniugato con acido biliare, un BP aromatico contenente azoto ed un BP alifatico contenente zolfo.

Chitosan based hydrogels for transmucosal drug delivery

The aim of this thesis was the formulation of new chitosan based delivery systems for transmucosal drug administration. Transmucosal routes, such as buccal, vaginal and nasal routes, allow the circumvention of the hepatic first pass metabolism and avoid the gastrointestinal chemical and enzymatic degradations. Moreover, transmucosal drug administration can allow to avoid pain or discomfort caused by injections, when drugs are administered through parenteral routes, thus increasing patient compliance. On the other side, the major disadvantage of transmucosal drug administration is represented by the presence of biological fluids and mucus that can remove drug systems from the application site, thus reducing the contact time between drug and mucosa and consequently, decreasing drug bioavailability. For this reason, in this study, the investigation of chitosan delivery systems as mucoadhesive formulations able to increase drugs residence time and to improve their bioavailability, was taken into account. In the paper 1, buccal films based on chitosan-gelatin complexes were prepared and loaded with propranolol hydrochloride. The complexes were characterized and studied in order to evaluate their physical- chemical properties and their ability to release the drug and to allow its permeation through buccal mucosa. In the paper 2, vaginal inserts based on chitosan/alginate complexes were formulated for local delivery of chlorhexidine digluconate. Tests to evaluate the interaction between the polymers and to study drug release properties were performed, as well as the determination of antimicrobial activity against the patogens responsible of vaginitis and candidosis. In the project 3, chitosan based nanoparticles containing cyclodextrin and other excipients, with the capacity to modify insulin bioavailabity were formulated for insulin nasal delivery. Nanoparticles were characterized in terms of size, stability and drug release. Moreover, in vivo tests were performed in order to study the hypoglycemic reduction in rats blood samples.

Valorization of pomaces from the mechanical extraction of virgin olive oils in dairy animal feeding

This research work is aimed at the valorization of two types of pomace deriving from the extra virgin olive oil mechanical extraction process, such as olive pomace and a new by-product named “paté”, in the livestock sector as important sources of antioxidants and unsaturated fatty acids. In the first research the suitability of dried stoned olive pomace as a dietary supplement for dairy buffaloes was evaluated. The effectiveness of this utilization in modifying fatty acid composition and improving the oxidative stability of buffalo milk and mozzarella cheese have been proven by means of the analysis of qualitative and quantitative parameters. In the second research the use of paté as a new by-product in dietary feed supplementation for dairy ewes, already fed with a source of unsaturated fatty acids such as extruded linseed, was studied in order to assess the effect of this combination on the dairy products obtained. The characterization of paté as a new by-product was also carried out, studying the optimal conditions of its stabilization and preservation at the same time. The main results, common to both researches, have been the detection and the characterization of hydrophilic phenols in the milk. The analytical detection of hydroxytyrosol and tyrosol in the ewes’ milk fed with the paté and hydroxytyrosol in buffalo fed with pomace showed for the first time the presence in the milk of hydroxytyrosol, which is one of the most important bioactive compounds of the oil industry products; the transfer of these antioxidants and the proven improvement of the quality of milk fat could positively interact in the prevention of some human cardiovascular diseases and some tumours, increasing in this manner the quality of dairy products, also improving their shelf-life. These results also provide important information on the bioavailability of these phenolic compounds.

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

Strategie formulative per la veicolazione nasale di farmaci

Microparticelle a base di complessi polielettrolitici di Chitosano/Pectina per il rilascio nasale di Tacrina cloridrato. Lo scopo di questo studio è stata la ricerca di nuove formulazioni solide per la somministrazione nasale di Tacrina cloridrato allo scopo di ridurre l’eccessivo effetto di primo passaggio epatico ed aumentarne la biodisponibilità a livello del Sistema Nervoso Centrale. La Tacrina è stata incapsulata in microparticelle mucoadesive a base di complessi elettrolitici di chitosano e pectina. Le microparticelle sono state preparate mediante due diversi approcci tecnologici (spray-drying e spray-drying/liofilizzazione) e analizzate in termini di caratteristiche dimensionali, morfologiche e chimico-fisiche. Nanoparticelle di Chitosano reticolate con Sodio Cromoglicato per il trattamento della rinite allergica. Il Sodio Cromoglicato è uno dei farmaci utilizzati per il trattamento della rinite allergica. Come noto, la clearance mucociliare provoca una rapida rimozione dei farmaci in soluzione dalla cavità nasale, aumentando così il numero di somministrazioni giornaliere e, di conseguenza, riducendo la compliance del paziente. Per ovviare a tale problema, si è pensato di includere il sodio cromoglicato in nanoparticelle di chitosano, un polimero capace di aderire alla mucosa nasale, prolungare il contatto della formulazione con il sito di applicazione e ridurre il numero di somministrazioni giornaliere. Le nanoparticelle ottenute sono state caratterizzate in termini di dimensioni, resa, efficienza di incapsulazione e caricamento del farmaco, potenziale zeta e caratteristiche mucoadesive. Analisi quantitativa di Budesonide amorfa tramite calorimetria a scansione differenziale. È stato sviluppato un nuovo metodo quantitativo allo stato solido basato sulla Calorimetria a Scansione Differenziale (DSC) in grado di quantificare in modo selettivo e accurato la quantità di Budesonide amorfa presente in una miscela solida. Durante lo sviluppo del metodo sono stati affrontati problemi relativi alla convalida di metodi analitici su campioni solidi quali la miscelazione di polveri solide per la preparazione di miscele standard e il calcolo della precisione.

Speciation of metals in agricultural lime and contaminated soil

Die Verwendung von Metallen zur Entwicklung der heutigen fortschrittlichen technologischenrnGesellschaft lässt auf eine lange Geschichte zurück blicken. Im Zuge des letzten Jahrhundertsrnwurde realisiert, dass die chemischen und radioaktiven Eigenschaften von Metallen einernernsthafte Bedrohung für die Menschheit darstellen können. In der modernen Geochemie ist esrnallgemein akzeptiert, dass die spezifischen physikochemische Formen entscheidender sind, alsrndas Verhalten der gesamten Konzentration der Spurenmetalle in der Umwelt. Die Definition derrnArtbildung kann grob als die Identifizierung und Quantifizierung der verschiedenen Formen oderrnPhasen für ein Element zugeordnet werden. Die chemische Extraktion ist eine gemeinsamernSpeziierungstechnik bei der die Fraktionierung des Gesamtmetallgehaltes zur Analyse der Quellernanthropogener Metallkontamination und zur Vorhersage der Bioverfügbarkeit von verschiedenenrnMetallformen dient. Die Philosophie der partiellen und sequenziellen Extraktionsmethodernbesteht darin, dass insbesondere das Extraktionsmittel phasenspezifisch unter chemischemrnAngriff unterschiedlicher Mischungsformen steht. Die Speziation von Metall ist wichtig bei derrnBestimmung der Toxizität, Mobilität, Bioverfügbarkeit des Metalls und damit ihr Schicksal inrnder Umwelt und biologischem System. Die Artenbildungsanalyse kann für das Verständnis derrnAuswirkung auf die menschliche Gesundheit und bei ökologischen Risiken durch diernQuantifizierung von Metallspezies bei einem Untersuchungs-standort angewendet werden undrnanschließend können Sanierungsstrategien für den Standort umgesetzt werden. Mit Hilfe derrnSpezifizierung wurden Arsen und Kupfer in landwirtschaftlichem Kalkdünger und Thallium inrnkontaminierten Böden untersucht und in den folgenden Abschnitten im Einzelnen dargestellt.

Effects of glucocorticoids on vascular NADPH oxidases and endothelial NO synthase

Glukokortikoide (GCs) stellen wichtige Hormone in der Regulation der metabolischen Homöostase dar. Synthetische GCs, wie Dexamethasone (DEX), spielen eine essentielle Rolle in der Behandlung inflammatorischer Krankheiten. Jedoch sind unter einer Dexamethason-Therapie zahlreiche Nebenwirkungen bekannt, so z.B. auch die Entwicklung einer Hypertonie, in deren Pathogenese oxidativer Stress eine entscheidende Rolle spielt. Obwohl sich in den vergangenen Jahren zahlreiche Studien zum Ziel setzten die GC-induzierte Hypertonie (GC-HT) aufzuklären, sind die genauen Mechanismen bis heute unklar. Eine erhöhte Expression von NADPH Oxidasen (Nox) und eine Entkopplung der endothelialen NO Synthase (eNOS), die Hauptquellen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im vaskulären System, tragen maßgeblich zur Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen bei. Daher ist eine Beteiligung dieser Enzyme in GC-induziertem oxidativen Stress sehr wahrscheinlich. Folglich wurde die Hypothese aufgestellt, dass NADPH Oxidasen und eine entkoppelte eNOS die vielversprechendsten unter den zahlreichen involvierten pro- und anti-oxidativen Enzymen sind. Mit Fokus auf die oben genannten Systeme wurde in der vorliegenden Studie der Effekt von DEX mit Hilfe von in vivo (WKY Ratten) ebenso wie in vitro Experimenten (A7r5 und EA.hy 926 Zellen) untersucht. Dabei zeigte sich, dass Nox1, Nox4 und p22phox durch DEX unterschiedlich reguliert wurden. Nox1 wurde hoch-, Nox4 hingegen herunterreguliert, während p22phox unverändert blieb. Die Modufikation schien hierbei auf transkriptioneller und post-transkriptioneller Ebene stattzufinden. Durch die gegensätzliche Regulation von Nox1 und Nox4 bleibt die Nettowirkung der verschiedenen Nox Isoformen unklar. Immer mehr Studien bringen vaskulären oxidativen Stress mit der Pathogenese einer GC-HT in Zusammenhang, welche letztendlich zu einer verminderten Bioverfügbarkeit von Stickstoffmonoxid (NO) führt. Durch die eNOS produziertes NO stellt einen essentiellen Schutzfaktor der Blutgefäße dar. Eine verminderte NO-Bioverfügbarkeit könnte die Folge einer eNOS-Entkopplung darstellen, ausgelöst durch oxidativen Stress. Da die Verfügbarkeit von Tetrahydrobiopterin (BH4) entscheident ist für die Aktivität und enzymatische Kopplung der eNOS, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit GC-induzierten Veränderungen in der BH4-Versorgung. Die Behandlung von EA.hy 926 Zellen mit DEX führte zu einer zeit- und konzentrationsabhängigen Herunterregulation von eNOS auf mRNA- und Proteinebene. Gleichzeitig wurde die Phosphorylierung an Serine1177 vermindert. Als maßgeblicher “Kopplungs-Schalter” kann BH4 endogen über zwei verschiedene Signalwege synthetisiert werden, welche durch die Enzyme GCH1 und DHFR reguliert werden. DEX führte zu einer zeit- und konzentrationsabhängigen Herunterregulation von BH4, BH2 und Biopterin, wobei ebenso das BH4 / BH2 -Verhältnis vermindert wurde. Beide Enzyme, GCH1 genauso wie DHFR, wurden auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert, was auf einen Effekt von GCs auf beide rnBH4-produzierenden Signalwege schließen lässt. Nach Behandlung mit DEX wurde die Produktion von NO in Endothelzellen maßgeblich vermindert. In ROS-Messungen zeigte sich eine Tendenz hin zu einer eNOS-Entkopplung, jedoch war es mit unserem experimentellen Aufbau nicht möglich, diese endgültig zu beweisen.rnZusammenfassend lässt sich sagen, dass die Behandlung mit GCs zu Veränderungen in beiden untersuchten Systemen, den NADPH Oxidasen ebenso wie dem eNOS-NO System, führte. DEX erhöhte die Expression von Nox1 in glatten Muskelzellen und reduzierte die Nox4-Expression in Endothelzellen. Gleichzeitig verminderte DEX die Verfügbarkeit von BH4 und inhibierte die Phosphorylierung / Aktivität von eNOS. Mithilfe weiterer Studien muss die endgültige Beteiligung von NADPH Oxidasen und einer eNOS-Entkopplung an oxidativem Stress in GC-HT abschließend aufgeklärt werden.rn

Bioremediation of PCB-contaminated marine sediments: From identification of indigenous dehalorespirers to enhancement of microbial reductive dechlorination

Marine sediments are the main accumulation reservoir of organic recalcitrant pollutants such as polychlorinated biphenyls (PCBs). In the anoxic conditions typical of these sediments, anaerobic bacteria of the phylum Chloroflexi are able to attack these compounds in a process called microbial reductive dechlorination. Such activity and members of this phylum were detected in PCB-impacted sediments of the Venice Lagoon. The aim of this work was to investigate microbial reductive dechlorination and design bioremediation approaches for marine sediments of the area. Three out of six sediment cultures from different sampling areas exhibited dechlorination activities in the same conditions of the site and two phylotypes (VLD-1 and VLD-2) were detected and correlated to this metabolism. Biostimulation was tested on enriched dechlorinating sediment cultures from the same site using five different electron donors, of which lactate was the best biostimulating agent; complementation of microbial and chemical dechlorination catalyzed by biogenic zerovalent Pd nanoparticles was not effective due to sulfide poisoning of the catalyst. A new biosurfactant-producing strain of Shewanella frigidimarina was concomitantly obtained from hydrocarbon-degrading marine cultures and selected because of the low toxicity of its product. All these findings were then exploited to develop bioremediation lab-scale tests in shaken reactors and static microcosms on real sediments and water of the Venice lagoon, testing i) a bioaugmentation approach, with a selected enriched sediment culture from the same area, ii) a biostimulation approach with lactate as electron donor, iii) a bioavailability enhancement with the supplementation of the newly-discovered biosurfactant, and iv) all possible combinations of the afore-mentioned approaches. The best bioremediation approach resulted to be a combination of bioaugmentation and bioremediation and it could be a starting point to design bioremediation process for actual marine sediments of the Venice Lagoon area.