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.

Modulation der Genexpression und des neuronalen Zelltods durch das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP)

Das Amyloid-Vorläufer-Protein (APP) spielt eine zentrale Rolle in der Entstehung und Entwicklung von Morbus Alzheimer. Hierbei ist die proteolytische Prozessierung von APP von entscheidender Bedeutung. Das Verhältnis von neurotoxischen und neuroprotektiven Spaltprodukten, die über den amyloidogenen und nicht-amyloidogenen Weg der APP-Prozessierung gebildeten werden, ist für das Überleben von Neuronen und deren Resistenz gegen zytotoxische Stress-Stimuli von hoher Relevanz. Störungen der Calcium-Homöostase sind ein bekanntes Phänomen bei Morbus Alzheimer. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von überexprimiertem APP in der Regulation des neuronalen Zelltods nach Calcium Freisetzung untersucht. Die Calcium Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum wurde durch die Inhibition der sarko- und endoplasmatischen Calcium-ATPasen (SERCA) ausgelöst. Dies führt zur Induktion der sogenannten „unfolded protein response“ (UPR) und zu einer Aktivierung von Effektor-Caspasen. Für APP-überexprimierende PC12 Zellen konnte bereits zuvor eine im Vergleich zur Kontrolle nach der durch Calcium Freisetzung-induzierten Apoptose eine erhöhte intrazelluläre Calcium Konzentration nachgewiesen werden. Über die Messung der Aktivierung von Effektor-Caspasen konnte zudem ein gesteigerter Zelltod in den APP-überexprimierenden Zellen gemessen werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass der pro-apoptotische Transkriptionsfaktor CHOP, nicht aber die klassischen UPR-Zielgene spezifisch hochreguliert wurden. Die APP-modulierte gesteigerte Induktion von Apoptose nach Calcium Freisezung konnte durch Komplexierung der intrazellulären Calcium Ionen und durch Knockdown von CHOP im Vergleich zur Kontrolle gänzlich unterdrückt werden. Ferner bewirkte die Inhibition der Speicher-aktivierten Calcium-Kanälen (SOCC) eine signifikante Unterdrückung der beobachteten erhöhten intrazellulären Calcium Konzentration und der gesteigerten Apoptose in den APP-überexprimierenden PC12 Zellen. In diesem Teil der Arbeit konnte eindeutig gezeigt werden, dass APP in der Lage ist den durch Calcium-Freisetzung-induzierten Zelltod zu potenzieren. Diese Modulation durch APP verläuft in einer UPR-unabhängigen Reaktion über die Aktivierung von SOCC’s, einer erhöhten Aufnahme von extrazellulärem Calcium und durch erhöhte Induktion des pro-apoptotischen Transkriptionsfaktors CHOP. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die sAPPα-vermittelte Neuroprotektion untersucht. Dabei handelt es sich um die N-terminale Ektodomäne von APP, die über die Aktivität der α-Sekretase prozessiert wird und anschließend extrazellulär abgegeben wird. Ziel dieser Versuchsreihe war die neuroprotektive physiologische Funktion von APP im Hinblick auf den Schutz von neuronalen Zellen vor diversen für Morbus Alzheimer relevanten Stress-Stimuli bzw. Apoptose-Stimuli zu untersuchen. Durch die Analyse der Effektor-Caspasen konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist PC12 Zellen potent vor oxidativem Stress, DNA-Schäden, Hypoxie, proteasomalem Stress und Calcium-Freisetzung zu schützen. Außerdem konnte gezeigt werden, dass sAPPα in der Lage ist den pro-apoptotischen Stress-induzierten JNK/Akt-Signalweg zu inhibieren. Eine Beteiligung des anti-apoptotischen PI3K/Akt-Signalwegs bei der sAPPα-vermittelten Protektion konnte über die Inhibition der PI3-Kinase ebenfalls demonstriert werden, die eine Aufhebung der sAPPα-vermittelten Neuroprotektion bewirkte. Diese Daten zeigen neue molekulare Mechanismen auf, die dem sAPPα-vermittelten Schutz vor pathophysiologisch relevanten Stress-Stimuli in neuronalen Zellen zugrunde liegen. Im letzten Teil der Arbeit wurden verschieden Gruppen von pharmakologischen Substanzen im Hinblick auf ihre neuroprotektive Wirkung untersucht und mit ihren Effekten auf den APP-Metabolismus korreliert. Die Untersuchungen ergaben, dass Galantamin, ein schwacher Acetycholinesterase Inhibitor und allosterisch potenzierender Ligand von nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren in der Lage war, naive, und mit noch höherer Effizienz APP-überexprimierende Zelllinien vor dem Stress-induzierten Zelltod zu schützen. Zudem bewirkte Galantamin in APP-überexprimierenden HEK293 Zellen eine rasche Erhöhung der sAPPα Sekretion, so dass hier von einer Rezeptor-vermittelten Modulation des APP Metabolismus ausgegangen werden kann. Omega-3 Fettsäuren wirken sich positiv auf die Membranfluidität von Zellen aus und es konnte bereits gezeigt werden, dass die Bildung des toxischen Aβ Peptids hierdurch vermindert wird. In Analogie zu Galantamin schützte die Omega-3 Fettsäure Docosahexaensäure (DHA) neuronale Zellen vor dem Stress-induzierten Zelltod, wobei der Schutz in APP-überexprimierenden Zellen besonders effizient war. Diese Daten legen nahe, dass die Aktivierung des antiamyloidogenen Wegs der APP-Prozessierung ein viel versprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien gegen Morbus Alzheimer sein könnte.

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, 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.

Functional and physiological role of vitamin C transporters

Vitamin C (ascorbic acid) is required for the synthesis of collagen, carnitine, catecholamine and the neurotransmitter norepinephrine. Vitamin C also plays an important role in protection against oxidative stress. Transporters for vitamin C and its oxidized form dehydroascorbate (DHA) are crucial to keep vitamin concentrations optimal in the body. The human SLC23 family consists of the Na(+)-dependent vitamin C transporters SVCT1 (SLC23A1) and SVCT2 (SLC23A2) and the orphan transporter SVCT3 (SLC23A3). Phylogenetically, the SLC23 family belongs to the nucleobase-ascorbate transporter family although no specificity for nucleobases has yet been demonstrated for the human members of this family. In fact, the SVCT1 and SVCT2 transporters are rather specific for ascorbic acid. SVCT1 is expressed in epithelial tissues such as intestine, where it contributes to the maintenance of whole-body ascorbic acid levels, whereas the expression of SVCT2 is relatively widespread either to protect metabolically active cells and specialized tissues from oxidative stress or to deliver ascorbic acid to tissues that are in high demand of the vitamin for enzymatic reactions. DHA, the oxidized form of ascorbic acid is taken up and distributed in the body by facilitated transport via members of the SLC2/GLUT family (GLUT1, GLUT3, and GLUT4). Although, the main focus of this review is on the SLC23 family of ascorbic acid transporters, transporters of DHA and nucleobases are also briefly discussed for completeness.

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.

14-3-3- and II/3-10-gene expression as molecular markers to address viability and growth activity of Echinococcus multilocularis metacestodes

The present study aimed to search for and characterize parasite molecules, whose expression levels correlate with the viability and growth activity of Echinococcus multilocularis metacestodes. We focused on the expression profiles of 2 parasite-derived genes, 14-3-3 and II/3-10, as putative molecular markers for viability and growth activity of the larval parasite. In experiments in vivo, gene expression levels of 14-3-3 and II/3-10 were relatively quantified by real-time reverse transcription-PCR using a housekeeping gene, beta-actin, as a reference reaction. All three reactions were compared with growth activity of the parasite developing in permissive nu/nu and in non-permissive wild type BALB/c mice. At 2 months p.i., the transcription level of 14-3-3 was significantly higher in parasites actively proliferating in nu/nu mice compared to parasites moderately growing in wild type mice. Immunoblotting experiments confirmed at the protein level that 14-3-3 was over-expressed in parasites derived from nu/nu mice at 2 months p.i. In vitro treatment of E. multilocularis with an anti-echinococcal drug nitazoxanide resulted in a significant decrease of both 14-3-3 and II/3-10 transcription levels found after 8 days of treatment, which correlated with the kinetics of a housekeeping gene, beta-actin. The conclusion is that 14-3-3, combined with II/3-10, exhibits good potential as a molecular marker to assess viability and growth activity of the parasite.

Pneumococcal meningitis causes accumulation of neurotoxic kynurenine metabolites in brain regions prone to injury

Pneumococcal meningitis (PM) is characterized by an intense inflammatory host reaction that contributes to the development of cortical necrosis and hippocampal apoptosis. Inflammatory conditions in the brain are known to induce tryptophan degradation along the kynurenine pathway, resulting in accumulation of neurotoxic metabolites. In the present study, we investigated the contribution of the kynurenine pathway to brain injury in experimental PM by measuring the concentration of its metabolites and the enzymatic activities and mRNA levels of its major enzymes in the vulnerable brain regions. In the late phase of acute PM, we found a significant transcriptional upregulation of kynurenine-3-hydroxylase and an accumulation of the neurotoxic metabolites 3-hydroxykynurenine (3-HKYN) and 3-hydroxyanthranilic acid in cortex and hippocampus. The positive correlation between the concentration of 3-HKYN and the extent of hippocampal apoptosis adds support to the concept that 3-HKYN contributes to brain injury in PM.

Antioxidant activities of some tryptophan metabolites: possible implication for inflammatory diseases

The antioxidant properties of tryptophan and some of its oxidative metabolites were examined by measuring how efficiently they inhibited peroxyl radical-mediated oxidation of phosphatidylcholine liposomes and B-phycoerythrin. Low micromolar concentrations of 5-hydroxytryptophan, 3-hydroxykynurenine, xanthurenic acid, or 3-hydroxyanthranilic acid, but not their corresponding nonhydroxylated metabolic precursors, scavenged peroxyl radicals with high efficiency. In particular, 3-hydroxykynurenine and 3-hydroxyanthranilic acid protected B-phycoerythrin from peroxyl radical-mediated oxidative damage more effectively than equimolar amounts of either ascorbate or Trolox (a water-soluble analog of vitamin E). Enzyme activities involved or related to oxidative tryptophan metabolism, as well as endogenous concentrations of tryptophan and its metabolites, were determined within tissues of mice suffering from acute viral pneumonia. Infection resulted in a 100-fold induction of pulmonary indoleamine 2,3-dioxygenase (EC 1.13.11.17) as reported [Yoshida, R., Urade, Y., Tokuda, M. ; Hayaishi, O. (1979) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 76, 4084-4086]. This was accompanied by a 16- and 3-fold increase in the levels of lung kynurenine and 3-hydroxykynurenine, respectively. In contrast, endogenous concentrations of tryptophan and xanthurenic acid did not increase and 3-hydroxyanthranilic acid could not be detected. The activity of the superoxide anion (O2-.)-producing enzyme xanthine oxidase increased 3.5-fold during infection while that of the O2-.-removing superoxide dismutase decreased to 50% of control levels. These results plus the known requirement of indoleamine 2,3-dioxygenase for superoxide anion for catalytic activity suggest that viral pneumonia is accompanied by oxidative stress and that induction of indoleamine 2,3-dioxygenase may represent a local antioxidant defence against this and possibly other types of inflammatory diseases.

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.

Uptake and fate of hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine by Chrysopogon zizanioides

Hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine (RDX) is a nitramine compound that has been used heavily by the military as an explosive. Manufacturing, use, and disposal of RDX have led to several contamination sites across the United States. RDX is both persistent in the environment and a threat to human health, making its remediation vital. The use of plants to extract RDX from the soil and metabolize it once it is in the plant tissue, is being considered as a possible solution. In the present study, the tropical grass Chrysopogon zizanioides was grown hydroponically in the presence RDX at 3 different concentration levels: 0.3, 1.1, and 2.26 ppm. The uptake of RDX was quantified by high performance liquid chromatography (HPLC) analysis of media samples taken every 6 hr during the first 24 hr and then daily over a 30-day experimental period. A rapid decrease in RDX concentration in the media of both controls and plant treatments was seen within the first 18 hours of the experiment with the greatest loss in RDX over time occurring within the first 6 hours of exposure. The loss was similar in both controls and plant exposures and possibly attributed to rapid uptake by the containers. A plant from one treatment at each of the three concentrations was harvested at Day 10, 20 and 30 throughout the experiment and extracted to determine the localization of RDX within the tissue and potentially identify any metabolites on the basis of differing retention times. Of the treatments containing 0.3, 1.1, and 2.26 ppm RDX, 13.1%, 18.3%, and 24.2% respectively, was quantified in vetiver extracts, with the majority of the RDX being localized to the roots. All plants not yet harvested were harvested on Day 30 of the experiment. A total of three plants exposed to each concentration level as well as the control, were extracted and analyzed with HPLC to determine amount of RDX taken up, localization of RDX within the plant tissue, and potentially identify any metabolites. Phytotoxicity of RDX to vetiver was also monitored. While a loss in biomass was observed in plants exposed to all the different concentrations of RDX, control plants grown in media not exposed to RDX showed the greatest biomass loss of all the treatments. There was also little variation in chlorophyll content between the different concentration treatments with RDX. This preliminary greenhouse study of RDX uptake 10 by Chrysopogon zizanioides will help indicate the potential ability of vetiver to serve as a plant system in the phytoremediation of RDX.

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.