Modeling and simulation of fibrinogen and its adsorption behavior

In this thesis different approaches for the modeling and simulation of the blood protein fibrinogen are presented. The approaches are meant to systematically connect the multiple time and length scales involved in the dynamics of fibrinogen in solution and at inorganic surfaces. The first part of the thesis will cover simulations of fibrinogen on an all atom level. Simulations of the fibrinogen protomer and dimer are performed in explicit solvent to characterize the dynamics of fibrinogen in solution. These simulations reveal an unexpectedly large and fast bending motion that is facilitated by molecular hinges located in the coiled-coil region of fibrinogen. This behavior is characterized by a bending and a dihedral angle and the distribution of these angles is measured. As a consequence of the atomistic detail of the simulations it is possible to illuminate small scale behavior in the binding pockets of fibrinogen that hints at a previously unknown allosteric effect. In a second step atomistic simulations of the fibrinogen protomer are performed at graphite and mica surfaces to investigate initial adsorption stages. These simulations highlight the different adsorption mechanisms at the hydrophobic graphite surface and the charged, hydrophilic mica surface. It is found that the initial adsorption happens in a preferred orientation on mica. Many effects of practical interest involve aggregates of many fibrinogen molecules. To investigate such systems, time and length scales need to be simulated that are not attainable in atomistic simulations. It is therefore necessary to develop lower resolution models of fibrinogen. This is done in the second part of the thesis. First a systematically coarse grained model is derived and parametrized based on the atomistic simulations of the first part. In this model the fibrinogen molecule is represented by 45 beads instead of nearly 31,000 atoms. The intra-molecular interactions of the beads are modeled as a heterogeneous elastic network while inter-molecular interactions are assumed to be a combination of electrostatic and van der Waals interaction. A method is presented that determines the charges assigned to beads by matching the electrostatic potential in the atomistic simulation. Lastly a phenomenological model is developed that represents fibrinogen by five beads connected by rigid rods with two hinges. This model only captures the large scale dynamics in the atomistic simulations but can shed light on experimental observations of fibrinogen conformations at inorganic surfaces.

Saccharide based nanocapsules - From monomer building blocks to improved capsules properties

In dieser Arbeit wurde der vielfältige Nutzen von Kohlenhydraten in Nanokapsel Systemen untersucht. Drei verschiedene Nanokapsel-Typen wurden durch Reaktion an der Grenzfläche von inversen Miniemulsionen hergestellt. Es wurde gezeigt, dass die Kohlenhydrate nach Modifizierung als Monomer an der Kapselbildung teilnehmen können, oder zur Erhöhung der Sensitivität eines verkapselten Kontrastmittels beitragen können. Im Folgenden werden die Ergebnisse der einzelnen Projekte zusammengefasst. Eine neuartige Grenzflächen-Synthese zur Herstellung von Nanokapseln wurde entwickelt und untersucht. Bei der Reaktion handelt es sich um eine Ruthenium katalysierte Olefin-Kreuzmetathese, welche für die Reaktion an der Grenzfläche angepasst wurde. Als wasserlösliches Macromonomer wurde Dextranacrylat synthetisiert. Der Reaktionspartner war ein öl-löslichen Phosphoester (Phenyldi(undec-10-en-1-yl)phosphat). Anhand von NMR-Spektren wurde gezeigt, dass die Kapselbildung auf Olefin Kreuzmetathese beruht. Im Vergleich zu konventionellen Estern haben Phosphorester eine weitere Möglichkeit zur chemischen Funktionalisierung. Dies wurde exemplarisch durch die Verwendung von fluoreszenzmarkierten Phosphoestern gezeigt. Die Markierung wurde verwendet, um die pH-induzierte Abbaubarkeit der Nanokapseln mittels Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie zu beobachten. Ziel des zweiten Projekts war es, Nanostrukturen zu entwickeln, um Infektionen mit Antibiotika-resistenten Bakterien lokal zu behandeln. Dazu wurden mit Dextranmethacrylat vernetzte Poly(acrylamid) basierte Nanogele synthetisiert und Zinknitrat zugesetzt. Die Synthese der Nanogele wurde erweitert, um durch Vernetzung freier Alkoholgruppen mit Toluoldiisocyanat eine Kapselschale zu erhalten. Die Schalenbildung spiegelte sich in einer geringeren Quellbarkeit der Gel- Schale-Hybride wieder. Die erhaltenen Gel-Schale-Hybride waren in der Lage das Wachstum von zwei Methicillin-resistenten Bakterienstämmen (S. aureus) zu unterdrücken und verzögern. Die synthetisierten Hybridstrukturen könnten in der Beschichtung von Wundauflagen Verwendung finden, um bakterielle Infektionen lokal und direkt nach Ausbruch zu behandeln. Ziel des dritten Projektes war es, die wichtigen Parameter in der Herstellung von Nanokapseln mit hoher Kontrastmittel Sensitivität zu identifizieren. Relaxivität/Signalsensitivität des Kontrastmittels ist von großer Bedeutung für die Bildgebung mittels MRI, dies kann durch die Begrenzung der Mobilität des Kontrastmittels erreicht werden. Aufgrund seiner hohen Komplexstabilität und seiner klinischen Bedeutung wurde das Kontrastmittel Gadobutrol für die Verkapselung verwendet. Das Kontrastmittel wurde in Polyharnstoff-Kapseln eingeschlossen, die durch einen inversen Miniemulsion-Prozess hergestellt wurden. Um die Viskosität im Inneren der Nanokapsel zu erhöhen, wurden zusätzlich Saccharose, Dextran und Polyacrylsäure verkapselt. In Gegenwart von Saccharose konnte die Relaxivität verdoppelt werden. Dies gründet sich vermutlich auf einem Second-sphere Effekt der Saccharose, einer auf Wasserstoffbrückenbindungen beruhende Interaktion von Kontrastmittel und Saccharose.

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Synthesis and application of stimuli responsive tunable systems based on physical interactions

Novel single step synthetic procedure for hydrophobically modified alkali soluble latexes (HASE) via a miniemulsion-analogous method is presented. This facile method simplifies the copolymerization of the monomers with basically “opposite” character in terms of their hydrophilic/hydrophobic nature, which represent one of the main challenges in water based systems. Considered systems do not represent classical miniemulsions due to a high content of water soluble monomers. However, the polymerization mechanism was found to be rather similar to miniemulsion polymerization process.rnThe influence of the different factors on the system stability has been investigated. The copolymerization behavior studies typically showed strong composition drifts during copolymerization. It was found that the copolymer composition drift can be suppressed via changing the initial monomer ratio.rnThe neutralization behavior of the obtained HASE systems was investigated via potentiometric titration. The rheological behavior of the obtained systems as a function of the different parameters, such as pH, composition (ultrahydrophobe content) and additive type and content has also been investigated.rnDetailed investigation of the storage and loss moduli, damping factor and the crossover frequencies of the samples showed that at the initial stages of the neutralization the systems show microgel-like behavior.rnThe dependence of the rheological properties on the content and the type of the ultrahydrophobe showed that the tuning of the mechanical properties can be easily achieved via minor (few percent) but significant changes in the content of the latter. Besides, changing the hydrophobicity of the ultrahydrophobe via increasing the carbon chain length represents another simple method for achieving the same results.rnThe influence of amphiphilic additives (especially alcohols) on the rheological behavior of the obtained systems has been studied. An analogy was made between micellation of surfactants and the formation of hydrophobic domains between hydrophobic groups of the polymer side chain.rnDilution induced viscosity reduction was investigated in different systems, without or with different amounts or types of the amphiphilic additive. Possibility of the controlled response to dilution was explored. It was concluded that the sensitivity towards dilution can be reduced, and in extreme cases even the increase of the dynamic modulus can be observed, which is of high importance for the setting behavior of the adhesive material.rnIn the last part of this work, the adhesive behavior of the obtained HASE systems was investigated on different substrates (polypropylene and glass) for the standard labeling paper. Wet tack and setting behavior was studied and the trends for possible applications have been evaluated.rnThe novel synthetic procedure, investigation of rheological properties and the possibility of the tuning via additives, investigated in this work create a firm background for the development of the HASE based adhesives as well as rheology modifiers with vast variety of possible applications due to ease of tuning the mechanical and rheological properties of the systems.

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

One-Step (18)F-Labeling of Carbohydrate-Conjugated Octreotate-Derivatives Containing a Silicon-Fluoride-Acceptor (SiFA): In Vitro and in Vivo Evaluation as Tumor Imaging Agents for Positron Emission Tomography (PET)

The synthesis, radiolabeling, and initial evaluation of new silicon-fluoride acceptor (SiFA) derivatized octreotate derivatives is reported. So far, the main drawback of the SiFA technology for the synthesis of PET-radiotracers is the high lipophilicity of the resulting radiopharmaceutical. Consequently, we synthesized new SiFA-octreotate analogues derivatized with Fmoc-NH-PEG-COOH, Fmoc-Asn(Ac?AcNH-?-Glc)-OH, and SiFA-aldehyde (SIFA-A). The substances could be labeled in high yields (38 ± 4%) and specific activities between 29 and 56 GBq/?mol in short synthesis times of less than 30 min (e.o.b.). The in vitro evaluation of the synthesized conjugates displayed a sst2 receptor affinity (IC?? = 3.3 ± 0.3 nM) comparable to that of somatostatin-28. As a measure of lipophilicity of the conjugates, the log P(ow) was determined and found to be 0.96 for SiFA-Asn(AcNH-?-Glc)-PEG-Tyr³-octreotate and 1.23 for SiFA-Asn(AcNH-?-Glc)-Tyr³-octreotate, which is considerably lower than for SiFA-Tyr³-octreotate (log P(ow) = 1.59). The initial in vivo evaluation of [¹?F]SiFA-Asn(AcNH-?-Glc)-PEG-Tyr³-octreotate revealed a significant uptake of radiotracer in the tumor tissue of AR42J tumor-bearing nude mice of 7.7% ID/g tissue weight. These results show that the high lipophilicity of the SiFA moiety can be compensated by applying hydrophilic moieties. Using this approach, a tumor-affine SiFA-containing peptide could successfully be used for receptor imaging for the first time in this proof of concept study.

Acute Regulation of Renal Na+/H+ Exchanger NHE3 by Dopamine: Role of Protein Phosphatase 2A

Nephrogenic dopamine is a potent natriuretic paracrine/autocrine hormone that is central for mammalian sodium homeostasis. In the renal proximal tubule, dopamine induces natriuresis partly via inhibition of the sodium/proton exchanger NHE3. The signal transduction pathways and mechanisms by which dopamine inhibits NHE3 are complex and incompletely understood. This manuscript describes the role of the serine/threonine protein phosphatase 2A (PP2A) in the regulation of NHE3 by dopamine. The PP2A regulatory subunit B56 delta (coded by the Ppp2r5d gene) directly associates with more than one region of the carboxy-terminal hydrophilic putative cytoplasmic domain of NHE3 (NHE3-cyto), as demonstrated by yeast-two-hybrid, co-immunoprecipitation, blot overlay and in vitro pull-down assays. Phosphorylated NHE3-cyto is a substrate for purified PP2A in an in vitro dephosphorylation reaction. In cultured renal cells, inhibition of PP2A by either okadaic acid or by overexpression of the simian virus 40 (SV40) small t antigen blocks the ability of dopamine to inhibit NHE3 activity and to reduce surface NHE3 protein. Dopamine-induced NHE3 redistribution is also blocked by okadaic acid ex vivo in rat kidney cortical slices. These studies demonstrate that PP2A is an integral and critical participant in the signal transduction pathway between dopamine receptor activation and NHE3 inhibition. Key words: Natriuresis, Sodium transport, Signal transduction.

Highly improved metabolic stability and pharmacokinetics of indium-111-DOTA-gastrin conjugates for targeting of the gastrin receptor

The development of metabolically stable radiolabeled gastrin analogues with suitable pharmacokinetics is a topic of recent research activity. These imaging vectors are of interest because the gastrin/CCK2 receptor is highly overexpressed in different tumors such as medullary thyroid cancer, neuroendocrine tumors, and SCLC. The drawback of current targeting agents is either their metabolic instability or their high kidney uptake. We present the synthesis and in vitro and in vivo evaluation of 11 (111)In-labeled DOTA-conjugated peptides that differ by their spacer between the peptide and the chelate. We introduced uncharged but hydrophilic spacers such as oligoethyleneglycol, serine, and glutamine. The affinity of all radiopeptides was high with IC(50) values between 0.5 and 4.8 nM. The improvement of human serum stability is 500-fold within this series of compounds. In addition the kidney uptake could be lowered distinctly and the tumor-to-kidney ratio improved almost 60-fold if compared with radiotracers having charged spacers such as glutamic acid.

Structure and function of the glucose PTS transporter from Escherichia coli

The glucose transporter IICB of the Escherichia coli phosphotransferase system (PTS) consists of a polytopic membrane domain (IIC) responsible for substrate transport and a hydrophilic C-terminal domain (IIB) responsible for substrate phosphorylation. We have overexpressed and purified a triple mutant of IIC (mut-IIC), which had recently been shown to be suitable for crystallization purposes. Mut-IIC was homodimeric as determined by blue native-PAGE and gel-filtration, and had an eyeglasses-like structure as shown by negative-stain transmission electron microscopy (TEM) and single particle analysis. Glucose binding and transport by mut-IIC, mut-IICB and wildtype-IICB were compared with scintillation proximity and in vivo transport assays. Binding was reduced and transport was impaired by the triple mutation. The scintillation proximity assay allowed determination of substrate binding, affinity and specificity of wildtype-IICB by a direct method. 2D crystallization of mut-IIC yielded highly-ordered tubular crystals and made possible the calculation of a projection structure at 12Å resolution by negative-stain TEM. Immunogold labeling TEM revealed the sidedness of the tubular crystals, and high-resolution atomic force microscopy the surface structure of mut-IIC. This work presents the structure of a glucose PTS transporter at the highest resolution achieved so far and sets the basis for future structural studies.

Interactions between selected photosensitizers and model membranes: an NMR classification

Membrane interactions of porphyrinic photosensitizers (PSs) are known to play a crucial role for PS efficiency in photodynamic therapy (PDT). In the current paper, the interactions between 15 different porphyrinic PSs with various hydrophilic/lipophilic properties and phospholipid bilayers were probed by NMR spectroscopy. Unilamellar vesicles consisting of dioleoyl-phosphatidyl-choline (DOPC) were used as membrane models. PS-membrane interactions were deduced from analysis of the main DOPC (1)H-NMR resonances (choline and lipid chain signals). Initial membrane adsorption of the PSs was indicated by induced changes to the DOPC choline signal, i.e. a split into inner and outer choline peaks. Based on this parameter, the PSs could be classified into two groups, Type-A PSs causing a split and the Type-B PSs causing no split. A further classification into two subgroups each, A1, A2 and B1, B2 was based on the observed time-dependent changes of the main DOPC NMR signals following initial PS adsorption. Four different time-correlated patterns were found indicating different levels and rates of PS penetration into the hydrophobic membrane interior. The type of interaction was mainly affected by the amphiphilicity and the overall lipophilicity of the applied PS structures. In conclusion, the NMR data provided valuable structural and dynamic insights into the PS-membrane interactions which allow deriving the structural constraints for high membrane affinity and high membrane penetration of a given PS. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

[Treatment of nonalcoholic steatohepatitis]

NASH associates steatosis with parenchymal inflammation and signs of hepatocellular injuy and even apoptosis. This leads in a minority of patients to fibrosis and in the long term to cirrhosis. NASH regularly occurs in a metabolic context characterized by insulin resistance. Several drugs have been tested in randomized controlled studies. Glitazones improve insulin resistance and also NASH, but are associated with side effects particularly unwelcome in NASH patients. Ursodesoxycholic acid, an hydrophilic biliary acid with hepatoprotective properties, does not improve the histological lesions of NASH. Vitamin E is the only compound which showed so far a positive effect without relevant side effects. However, it is too early to recommend its long-term use in this indication. Finally, the best treatment is not with drugs, but relies on behavioural changes: NASH patients should regularly exercise!

Quantifying The Diffusion And Erosion Of Degradable Hydrogels Using A Microfluidic Technique

Hydrogels are composed of cross-linked networks of hydrophilic polymers that are biocompatible due to their high water content. Mass transfer through hydrogels has been suggested as an effective method of drug delivery, specifically in degradable polymers to minimize lasting effects within the body. Diffusion of small molecules in poly (ethylene glycol) diacrylate (PEG-DA) and dextran methacrylate (dex-MA) hydrogels was characterized in a microfluidic device and by complementary techniques. Microfluidic devices were prepared by crosslinking a formulation of hydrogel and photo-initiator, with and without visible dye, using photolithography to define a central microchannel. Channel sizes within the devices were approximately 600 ¿m to simulate vessels within the body. The microfluidic technique allows for both image and effluent analyses. To visualize the diffusive behavior within the dextran hydrogel, methylene blue and sulforhodamine 101 dyes were used in both elution and uptake experiments. Three analysis techniques for measuring diffusion coefficients were used to quantify the diffusion of solute in the hydrogel, including optical microscopy, characterization of device effluent, and NMR analyses. The optical microscopy technique analyzes images of the dye diffusion captured by a stereomicroscope to generate dye concentration v. position profiles. The data was fit to a diffusion model to determine diffusion coefficients and the dye release profile. In a typical elution experiment, aqueous solution is pumped through the microchannel and dye diffuses out of the hydrogel and into the aqueous phase. During elution, images are taken at regular time intervals and the effluent was collected. Analysis of the device effluent was performed using ultraviolet-visible (UV/Vis) spectroscopy to determine the effluent dye concentration and thus a short-time diffusion coefficient. Nuclear magnetic resonance (NMR) was used to determine a free diffusion coefficient of molecules in hydrogel without the effect of a concentration gradient. Diffusion coefficients for methylene blue and sulforhodamine 101 dyes in dex-MA hydrogel calculated using the three analysis methods all agree well. It was determined that utilizing a combination of the three techniques offers greater insight into molecular diffusion in hydrogels than employing each technique individually. The use of the same microfluidic devices used to measure diffusion is explored in the use of studying the degradation of dex-MA hydrogels. By combining what is known about the degradation rate in regards to the effect of pH and crosslinking and the ability to use a dye solution in contrast to establish the hydrogel boundaries could be a novel approach to studying hydrogel degradation.

The Use Of Amido- And Imido-Functionalized Alpha Hydroxy Acids In The Creation Of Biodegradable Polyesters: An Exploration Of Va

The purpose of this thesis was to synthesize biodegradable polyesters from a wide array of functionalized ¿-hydroxy acids. The initial strategy was to use amido-functionalized ¿-hydroxy acids and 2-bromopropanoyl bromide to form amido-functionalized cyclic diesters. Then, the resulting cyclic diesters would be used in ring opening polymerization to create biodegradable polyesters. However, the spontaneous rapid degradation of the secondary amido-functionalized cyclic diester structure, as seen with 2-benzamido-hydroxyacetic acid, limited ring formation to tertiary amido-functionalized ¿-hydroxy acids. Also, the hydrophilic nature of most ¿-hydroxy acids allowed water into the crystal structure of the ¿-hydroxy acid. Then, when the ¿-hydroxy acid was used in ring forming reactions, the associated water deactivated reactive reagents and limited cyclic diester synthesis. These issues led to the synthesis of hydrophobic and tertiary amido- and imido-functionalized ¿-hydroxy acids, 2-phthalimido-2-hydroxyacetic acid and 2-(1-oxoisoindolin-2-yl) hydroxyacetic acid. The new ¿-hydroxy acids were used in two new polymerization techniques, melt polycondensation and solution polymerization, instead of ring open polymerization. Melt polycondensation and solution polymerization had shown previous success in forming oligomers of amido-functionalized ¿-hydroxy acids. Melt polycondensation was conducted by heating the monomer past its melting temperature under reduced pressure. The uncatalyzed melt polycondensation of 2-(1-oxoisoindolin-2-yl) hydroxyacetic acid created polyesters (¿ 960 g/mol). The scandium(III) trifluoromethanesulfonate enhanced melt polycondensation polymerization created slightly larger oligomers (¿ 1340 g/mol). However, 2-phthalimido-2-hydroxyacetic acid was not compatible with melt polycondensation because thermal degradation occurred. Thus, solution polymerization was conducted via Steglich esterification. Only oligomeric functionalized polyesters were formed (¿ 1060 g/mol). Future work should focus on optimization of the catalyst and the reaction conditions to obtain higher molecular weight polyesters. Also, 2-(1-oxoisoindolin-2-yl) hydroxyacetic acid should be utilized in the cyclic diester synthesis technique.

Influence of intraocular lens material on the development of acute endophthalmitis after cataract surgery?

PurposeTo investigate the causal relationship between acute postoperative endophthalmitis (POE) after cataract surgery and the biomaterial properties of the intraocular lens (IOLs) implanted.MethodsThis retrospective cohort study included all patients who had undergone cataract surgery with IOL implantation at the Lyon Croix-Rousse University Hospital between 1st January 1994 and 31st December 2004. Details respecting the type of IOL implanted (material and manufacturer) were meticulously recorded. The number of patients presenting with POE within 6 weeks of cataract surgery was documented together with their medical characteristics. These data were then compared, and Fisher's exact test was used to establish the significance of any apparent associations.ResultsEight of the 5837 eyes manifested acute POE (0.14%). Seven of these were composed of polymethylmethacrylate (PMMA) and one of heparinized PMMA. Patients with PMMA IOLs carried a higher risk of developing POE than did those implanted with either heparinized PMMA (P=0.001), hydrophilic acrylic, or hydrophobic acrylic IOLs (P=0.002).ConclusionsThe incidence of acute POE after cataract surgery in our hospital is similar to that currently reported for other institutions in developed countries. Our results add further evidence that IOL material and type are factors contributing to the risk to develop an acute POE after cataract surgery, and that PMMA IOLs may be associated with an increased risk of POE.Eye advance online publication, 15 September 2006; doi:10.1038/sj.eye.6702544.

Horizontal ridge augmentation using autogenous block grafts and the guided bone regeneration technique with collagen membranes: a clinical study with 42 patients

OBJECTIVE: To analyze the clinical outcome of horizontal ridge augmentation using autogenous block grafts covered with an organic bovine bone mineral (ABBM) and a bioabsorbable collagen membrane. MATERIAL AND METHODS: In 42 patients with severe horizontal bone atrophy, a staged approach was chosen for implant placement following horizontal ridge augmentation. A block graft was harvested from the symphysis or retromolar area, and secured to the recipient site with fixation screws. The width of the ridge was measured before and after horizontal ridge augmentation. The block graft was subsequently covered with ABBM and a collagen membrane. Following a tension-free primary wound closure and a mean healing period of 5.8 months, the sites were re-entered, and the crest width was re-assessed prior to implant placement. RESULTS: Fifty-eight sites were augmented, including 41 sites located in the anterior maxilla. The mean initial crest width measured 3.06 mm. At re-entry, the mean width of the ridge was 7.66 mm, with a calculated mean gain of horizontal bone thickness of 4.6 mm (range 2-7 mm). Only minor surface resorption of 0.36 mm was observed from augmentation to re-entry. CONCLUSIONS: The presented technique of ridge augmentation using autogenous block grafts with ABBM filler and collagen membrane coverage demonstrated successful horizontal ridge augmentation with high predictability. The surgical method has been further simplified by using a resorbable membrane. The hydrophilic membrane was easy to apply, and did not cause wound infection in the rare instance of membrane exposure.