Entwicklung von chiralen- sowie RP-HPLC-Methoden in Verbindung mit hochauflösender MS und deren Anwendung zur Analyse sekundärer organischer Aerosole in der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%), Sauerstoff (21%) und Edelga¬sen. Obwohl Partikel weniger als 0,1% ausmachen, spielen sie eine entscheidende Rolle in der Chemie und Physik der Atmosphäre, da sie das Klima der Erde sowohl direkt als auch indirekt beeinflussen. Je nach Art der Bildung unterscheidet man zwischen primären und sekundären Partikeln, wobei primäre Partikel direkt in die Atmosphäre eingetragen werden. Sekundäre Partikel hingegen entstehen durch Kondensation von schwerflüchtigen Verbindungen aus der Gasphase, welche durch Reaktionen von gasförmigen Vorläufersubstanzen (volatile organic compounds, VOCs) mit atmosphärischen Oxidantien wie Ozon oder OH-Radikalen gebildet werden. Da die meisten Vorläufersubstanzen organischer Natur sind, wird das daraus gebil¬dete Aerosol als sekundäres organisches Aerosol (SOA) bezeichnet. Anders als die meisten primären Partikel stammen die VOCs überwiegend aus biogenen Quellen. Es handelt sich da¬bei um ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die bei intensiver Sonneneinstrahlung und hohen Temperaturen von Pflanzen emittiert werden. Viele der leichtflüchtigen Vorläufersubstanzen sind chiral, sowohl die Vorläufer als auch die daraus gebildeten Partikel werden aber in den meisten Studien als eine Verbindung betrachtet und gemeinsam analysiert. Die mit Modellen berechneten SOA-Konzentrationen, welche auf dieser traditionellen Vorstellung der SOA-Bil¬dung beruhen, liegen deutlich unterhalb der in der Atmosphäre gefundenen, so dass neben diesem Bildungsweg auch noch andere SOA-Bildungsarten existieren müssen. Aus diesem Grund wird der Fokus der heutigen Forschung vermehrt auf die heterogene Chemie in der Partikelphase gerichtet. Glyoxal als Modellsubstanz kommt hierbei eine wichtige Rolle zu. Es handelt sich bei dieser Verbindung um ein Molekül mit einem hohen Dampfdruck, das auf Grund dieser Eigenschaft nur in der Gasphase zu finden sein sollte. Da es aber über zwei Alde¬hydgruppen verfügt, ist es sehr gut wasserlöslich und kann dadurch in die Partikelphase über¬gehen, wo es heterogenen chemischen Prozessen unterliegt. Unter anderem werden in An¬wesenheit von Ammoniumionen Imidazole gebildet, welche wegen der beiden Stickstoff-He¬teroatome lichtabsorbierende Eigenschaften besitzen. Die Verteilung von Glyoxal zwischen der Gas- und der Partikelphase wird durch das Henrysche Gesetz beschrieben, wobei die Gleichgewichtskonstante die sogenannte Henry-Konstante ist. Diese ist abhängig von der un¬tersuchten organischen Verbindung und den im Partikel vorhandenen anorganischen Salzen. Für die Untersuchung chiraler Verbindungen im SOA wurde zunächst eine Filterextraktions¬methode entwickelt und die erhaltenen Proben anschließend mittels chiraler Hochleistungs-Flüssigchromatographie, welche an ein Elektrospray-Massenspektrometer gekoppelt war, analysiert. Der Fokus lag hierbei auf dem am häufigsten emittierten Monoterpen α-Pinen und seinem Hauptprodukt, der Pinsäure. Da bei der Ozonolyse des α-Pinens das cyclische Grund¬gerüst erhalten bleibt, können trotz der beiden im Molekül vorhanden chiralen Zentren nur zwei Pinsäure Enantiomere gebildet werden. Als Extraktionsmittel wurde eine Mischung aus Methanol/Wasser 9/1 gewählt, mit welcher Extraktionseffizienzen von 65% für Pinsäure Enan¬tiomer 1 und 68% für Pinsäure Enantiomer 2 erreicht werden konnten. Des Weiteren wurden Experimente in einer Atmosphärensimulationskammer durchgeführt, um die Produkte der α-Pinen Ozonolyse eindeutig zu charakterisieren. Enantiomer 1 wurde demnach aus (+)-α-Pinen gebildet und Enantiomer 2 entstand aus (-)-α-Pinen. Auf Filterproben aus dem brasilianischen Regenwald konnte ausschließlich Pinsäure Enantiomer 2 gefunden werden. Enantiomer 1 lag dauerhaft unterhalb der Nachweisgrenze von 18,27 ng/mL. Im borealen Nadelwald war das Verhältnis umgekehrt und Pinsäure Enantiomer 1 überwog vor Pinsäure Enantiomer 2. Das Verhältnis betrug 56% Enantiomer 1 zu 44% Enantiomer 2. Saisonale Verläufe im tropischen Regenwald zeigten, dass die Konzentrationen zur Trockenzeit im August höher waren als wäh¬rend der Regenzeit im Februar. Auch im borealen Nadelwald wurden im Sommer höhere Kon¬zentrationen gemessen als im Winter. Die Verhältnisse der Enantiomere änderten sich nicht im jahreszeitlichen Verlauf. Die Bestimmung der Henry-Konstanten von Glyoxal bei verschiedenen Saataerosolen, nämlich Ammoniumsulfat, Natriumnitrat, Kaliumsulfat, Natriumchlorid und Ammoniumnitrat sowie die irreversible Produktbildung aus Glyoxal in Anwesenheit von Ammoniak waren Forschungs¬gegenstand einer Atmosphärensimulationskammer-Kampagne am Paul-Scherrer-Institut in Villigen, Schweiz. Hierzu wurde zunächst das zu untersuchende Saataerosol in der Kammer vorgelegt und dann aus photochemisch erzeugten OH-Radikalen und Acetylen Glyoxal er¬zeugt. Für die Bestimmung der Glyoxalkonzentration im Kammeraerosol wurde zunächst eine beste¬hende Filterextraktionsmethode modifiziert und die Analyse mittels hochauflösender Mas¬senspektrometrie realisiert. Als Extraktionsmittel kam 100% Acetonitril, ACN zum Einsatz wo¬bei die Extraktionseffizienz bei 85% lag. Für die anschließende Derivatisierung wurde 2,4-Di¬nitrophenylhydrazin, DNPH verwendet. Dieses musste zuvor drei Mal mittels Festphasenex¬traktion gereinigt werden um störende Blindwerte ausreichend zu minimieren. Die gefunde¬nen Henry-Konstanten für Ammoniumsulfat als Saataerosol stimmten gut mit in der Literatur gefundenen Werten überein. Die Werte für Natriumnitrat und Natriumchlorid als Saataerosol waren kleiner als die von Ammoniumsulfat aber größer als der Wert von reinem Wasser. Für Ammoniumnitrat und Kaliumsulfat konnten keine Konstanten berechnet werden. Alle drei Saataerosole führten zu einem „Salting-in“. Das bedeutet, dass bei Erhöhung der Salzmolalität auch die Glyoxalkonzentration im Partikel stieg. Diese Beobachtungen sind auch in der Litera¬tur beschrieben, wobei die Ergebnisse dort nicht auf der Durchführung von Kammerexperi¬menten beruhen, sondern mittels bulk-Experimenten generiert wurden. Für die Trennung der Imidazole wurde eine neue Filterextraktionsmethode entwickelt, wobei sich ein Gemisch aus mit HCl angesäuertem ACN/H2O im Verhältnis 9/1 als optimales Extrak¬tionsmittel herausstellte. Drei verschiedenen Imidazole konnten mit dieser Methode quanti¬fiziert werden, nämlich 1-H-Imidazol-4-carbaldehyd (IC), Imidazol (IM) und 2,2‘-Biimidazol (BI). Die Effizienzen lagen für BI bei 95%, für IC bei 58% und für IM bei 75%. Kammerexperimente unter Zugabe von Ammoniak zeigten höhere Imidazolkonzentrationen als solche ohne. Wurden die Experimente ohne Ammoniak in Anwesenheit von Ammoni¬umsulfat durchgeführt, wurden höhere Imidazol-Konzentrationen gefunden als ohne Ammo¬niumionen. Auch die relative Luftfeuchtigkeit spielte eine wichtige Rolle, da sowohl eine zu hohe als auch eine zu niedrige relative Luftfeuchtigkeit zu einer verminderten Imidazolbildung führte. Durch mit 13C-markiertem Kohlenstoff durchgeführte Experimente konnte eindeutig gezeigt werden, dass es sich bei den gebildeten Imidazolen und Glyoxalprodukte handelte. Außerdem konnte der in der Literatur beschriebene Bildungsmechanismus erfolgreich weiter¬entwickelt werden. Während der CYPHEX Kampagne in Zypern konnten erstmalig Imidazole in Feldproben nach¬gewiesen werden. Das Hauptprodukt IC zeigte einen tageszeitlichen Verlauf mit höheren Kon¬zentrationen während der Nacht und korrelierte signifikant aber schwach mit der Acidität und Ammoniumionenkonzentration des gefundenen Aerosols.

Biomimetic coating of organic polymers with a protein-functionalized layer of calcium phosphate: the surface properties of the carrier influence neither the coating characteristics nor the incorporation mechanism or release kinetics of the protein

Polymers that are used in clinical practice as bone-defect-filling materials possess many essential qualities, such as moldability, mechanical strength and biodegradability, but they are neither osteoconductive nor osteoinductive. Osteoconductivity can be conferred by coating the material with a layer of calcium phosphate, which can be rendered osteoinductive by functionalizing it with an osteogenic agent. We wished to ascertain whether the morphological and physicochemical characteristics of unfunctionalized and bovine-serum-albumin (BSA)-functionalized calcium-phosphate coatings were influenced by the surface properties of polymeric carriers. The release kinetics of the protein were also investigated. Two sponge-like materials (Helistat® and Polyactive®) and two fibrous ones (Ethisorb and poly[lactic-co-glycolic acid]) were tested. The coating characteristics were evaluated using state-of-the-art methodologies. The release kinetics of BSA were monitored spectrophotometrically. The characteristics of the amorphous and the crystalline phases of the coatings were not influenced by either the surface chemistry or the surface geometry of the underlying polymer. The mechanism whereby BSA was incorporated into the crystalline layer and the rate of release of the truly incorporated depot were likewise unaffected by the nature of the polymeric carrier. Our biomimetic coating technique could be applied to either spongy or fibrous bone-defect-filling organic polymers, with a view to rendering them osteoconductive and osteoinductive.

Mechanism of action of tin-containing fluoride solutions as anti-erosive agents in dentine - an in vitro tin-uptake, tissue loss, and scanning electron microscopy study

Solutions containing tin and fluoride exhibit remarkable anti-erosive properties with tin ions as a major agent. To elucidate its mechanism of action in dentine, the tin uptake on and in the tissue was investigated and related to histological findings and substance loss. Samples were treated twice daily, each treatment lasting for 2 min, with fluoride solutions [pH 4.5; 1,500 parts per million (p.p.m.) F] containing 2,100, 1,400, or 400 p.p.m. Sn as SnCl(2). In experiments 1 and 2, samples were eroded with citric acid (pH 2.3) six times each day, each treatment lasting for 5 min; in experiment 2, the demineralized organic matrix was continuously digested by collagenase; in experiment 3, no erosive challenges were performed. Sample surfaces and cross-sections were investigated using energy dispersive X-ray spectroscopy, scanning electron microscopy, and profilometry. Surface retention of tin was found in almost all treatment groups and was highest in experiment 2. On cross-sections, tin was retained within the organic matrix; in mineralized areas, tin was found mainly within a depth of 10 mum. Test solutions inhibited substance loss significantly; in experiment 2, the effect was dose-dependent. Erosion inhibition seemed to depend mainly on the incorporation of tin in the mineralized dentine when the organic portion was preserved, but on surface precipitation when the organic portion was continuously digested.

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.

Structure-activity relationship and mechanism of action studies of manzamine analogues for the control of neuroinflammation and cerebral infections

Structure-activity relationship studies were carried out by chemical modification of manzamine A (1), 8-hydroxymanzamine A (2), manzamine F (14), and ircinal isolated from the sponge Acanthostrongylophora. The derived analogues were evaluated for antimalarial, antimicrobial, and antineuroinflammatory activities. Several modified products exhibited potent and improved in vitro antineuroinflammatory, antimicrobial, and antimalarial activity. 1 showed improved activity against malaria compared to chloroquine in both multi- and single-dose in vivo experiments. The significant antimalarial potential was revealed by a 100% cure rate of malaria in mice with one administration of 100 mg/kg of 1. The potent antineuroinflammatory activity of the manzamines will provide great benefit for the prevention and treatment of cerebral infections (e.g., Cryptococcus and Plasmodium). In addition, 1 was shown to permeate across the blood-brain barrier (BBB) in an in vitro model using a MDR-MDCK monolayer. Docking studies support that 2 binds to the ATP-noncompetitive pocket of glycogen synthesis kinase-3beta (GSK-3beta), which is a putative target of manzamines. On the basis of the results presented here, it will be possible to initiate rational drug design efforts around this natural product scaffold for the treatment of several different diseases.

Down-regulation of porin M35 in Moraxella catarrhalis by aminopenicillins and environmental factors and its potential contribution to the mechanism of resistance to aminopenicillins

The outer membrane protein M35 of Moraxella catarrhalis is an antigenically conserved porin. Knocking out M35 significantly increases the MICs of aminopenicillins. The aim of this study was to determine the biological mechanism of this potentially new antimicrobial resistance mechanism of M. catarrhalis and the behaviour of M35 in general stress situations.

Activation of sphingosine kinase 2 is an endogenous protective mechanism in cerebral ischemia

The two ubiquitously expressed sphingosine kinases (SphK) 1 and 2 are key regulators of the sphingolipid signaling pathway. Despite the formation of an identical messenger, i.e. sphingosine 1-phosphate (S1P), they exert strikingly different functions. Particularly, SphK2 is necessary for the phosphorylation of the sphingosine analog fingolimod (FTY720), which is protective in rodent stroke models. Using gene deficient mice lacking either SphK1 or SphK2, we investigated the role of the two lipid kinases in experimental stroke. We performed 2h transient middle cerebral artery occlusion (tMCAO) and analyzed lesion size and neurological function after 24h. Treatment groups received 1mg/kg FTY720. Neutrophil infiltration, microglia activation, mRNA and protein expression of SphK1, SphK2 and the S1P(1) receptor after tMCAO were studied. Genetic deletion of SphK2 but not SphK1 increased ischemic lesion size and worsened neurological function after tMCAO. The protective effect of FTY720 was conserved in SphK1(-/-) mice but not in SphK2(-/-) mice. This suggests that SphK2 activity is an important endogenous protective mechanism in cerebral ischemia and corroborates that the protective effect of FTY720 is mediated via phospho-FTY720.

Insight into the mechanism of transient trapping in micellar electrokinetic chromatography

Transient trapping is a new mechanism of on-line sample concentration and separation that has recently been presented. It involves the injection of a short length of micellar solution in front of the sample, making it similar to sweeping in partial-filling MEKC. Here, we examine the mechanism of transient trapping by the use of computer simulations and compare it to sweeping in MEKC for the two analytes, sulforhodamine B and 101. The simulation results confirm the mechanism for concentration and separation originally proposed. The mechanism for concentration is similar to sweeping since the analytes are picked and accumulated by the micelles that penetrate the sample zone. The mechanism for separation is however quite unique since the concentrated analytes are trapped for a few seconds on the sample/micelle boundary before they are released as the concentration of micelle is reduced as it undergoes electromigration dispersion and the analytes separate down a micelle gradient. Simulation results suggested that a significant contribution of band broadening arises from the micelle gradient, with shallower gradients resulting in broader peaks. However, this is offset by an increase in selectivity, such that resolution was enhanced even though the peaks are broader. Transient trapping analysis with similar resolution to those obtained by sweeping MEKC could be achieved in 1/10 of the time and 1/4 of the capillary length, which results in a 2-3 times increase in sensitivity.

A novel mechanism for hypofibrinolysis in diabetes: the role of complement C3

Impaired fibrin clot lysis is a key abnormality in diabetes and complement C3 is one protein identified in blood clots. This work investigates the mechanistic pathways linking C3 and hypofibrinolysis in diabetes using ex vivo/in vitro studies.