Synergistischer photoinduzierter Schadstoffabbau mittels eines Porphyrazin-Titandioxid-Hybrids

Die zunehmende Luftverschmutzung aufgrund des steigenden Energiebedarfs und Mobilitätsanspruchs der Bevölkerung, insbesondere in urbanen Gebieten, erhöht das Gefährdungspotential für die Gesundheit und verschlechtert so die Lebensqualität. Neben der Vermeidung von Emissionen toxischer Gase als mittel- und langfristig optimale Maßnahme zur Verbesserung der Luftqualität, stellt der Abbau emittierter Luftschadstoffe ein geeignetes und kurzfristig wirksames Mittel dar. Ein solcher Abbau kann durch Photokatalyse erzielt werden, allerdings nutzen Photokatalysatoren, die auf dem Halbleiter Titandioxid (TiO2) basieren, das solare Emissionsspektrum nur geringfüfig aus und sind in Innenräumen und anderen UV-schwachen Bereichen nicht wirksam. Um diese Nachteile zu überwinden, wurde ein Photokatalysator entwickelt und hergestellt, der aus TiO2 (P25) als UV-aktiver Photokatalysator und als Trägermaterial sowie einem seinerseits im Vis-Bereich photoaktiven Porphyrazin-Farbstoff als Beschichtung besteht. Die sterisch anspruchsvollen und in der Peripherie mit acht Bindungsmotiven für TiO2 versehenen Farbstoffmoleküle wurden zu diesem Zweck auf der Halbleiteroberfläche immobilisiert. Die so gebildeten Porphyrazin-Titandioxid-Hybride wurde ausführlich charakterisiert. Dabei wurden unter anderem die Bindung der Farbstoffe auf der Titandioxidoberfläche mittels Adsorptionsisothermen und die UV/Vis-spektroskopischen Eigenschaften des Hybridmaterials untersucht. Zur Bestimmung der photokatalytischen Aktivitäten der Einzelkomponenten und des Hybridmaterials wurden diese auf die Fähigkeit zur Bildung von Singulett-Sauerstoff, Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikalen hin sowie in einem an die ISO-22197-1 angelehnten Verfahren auf die Fähigkeit zum Abbau von NO hin jeweils bei Bestrahlung in drei Wellenlängenbereichen (UV-Strahlung, blaues Licht und rotes Licht) geprüft. Darüber hinaus konnte die Aktivität des Hybridmaterials bei der Photodynamischen Inaktivierung (PDI) von Bakterien unter UV- und Rotlichtbestrahlung im Vergleich zum reinen Ttandioxid bestimmt werden. Die Charakterisierung des Hybridmaterials ergab, dass die Farbstoffmoleküle in einer neutralen Suspension nahezu irreversibel in einer monomolekularen Schicht mit einer Bindungsenergie von -41.43 kJ/mol an die Oberfläche gebunden sind und das Hybridmaterial mit hohen Extinktionskoeffizienten von bis zu 105 M-1cm-1 in großen Bereichen des UV/Vis-Spektrums Photonen absorbiert. Das Spektrum des Hybridmaterials setzt sich dabei additiv aus den beiden Einzelspektren zusammen. Die Auswirkungen der Charakterisierungsergebnisse auf die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies wurden ausführlich diskutiert. Der Vergleich der Aktivitäten in Bezug auf die Bildung der reaktiven Sauerstoffspezies zeigte, dass die Aktivität des Hybridmaterials bis auf die bei der Bildung von Hydroxylradikalen unter UV-Bestrahlung in allen Versuchen deutlich höher war als die Aktivität des reinen Titandioxids. Im Gegensatz zu reinem Titandioxid erzeugte das Hybridmaterial in allen untersuchten Wellenlängenbereichen Mengen an Singulett-Sauerstoff, die photophysikalisch eindeutig detektierbar waren. Zur Erklärung und Deutung dieser Beobachtungen wurde eine differenzierte Diskussion geführt, die die Ergebnisse der Hybridpartikelcharakterisierung aufgreift und implementiert. Der Vergleich der NO-Abbaueffizienzen ergab bei allen Experimenten durchgängig deutlich höhere Werte für das Hybridmaterial. Zudem wurden durch das Hybridmaterial nachgewiesenermaßen wesentlich geringere Mengen des unerwünschten Nebenprodukts des Abbaus (NO2) gebildet. Im Zuge der Diskussion wurden verschiedene mögliche Mechanismen der „sauberen“ Oxidation zu Nitrat durch das Hybridmaterial vorgestellt. Untersuchungen zur Photodynamischen Inaktivierung verschiedener Bakterien ergaben, dass das Hybridmaterial neben einer zu P25 ähnlichen Aktivität unter UV-Bestrahlung, anders als P25, auch eine PDI verschiedener Bakterien unter Rotlichtbestrahlung erreicht.

Synthese, Charakterisierung und koordinationschemische Untersuchung neuer Ferrocen-basierter Mono- und Diphosphidoliganden

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese der außerordentlich unterentwickelten Substanzklasse der sekundären Disphosphinoferrocene sowie der Auslotung ihrer koordinationschemischen Eigenschaften, speziell gegenüber den Übergangsmetallen Zirkonium und Nickel und dem Alkalimetall Lithium.

Studies on the Catalytic Asymmetric Fischer Indolization

This work describes further developments and applications of the catalytic asymmetric Fischer indolization. In the first part of this thesis, the development of an organocatalytic asymmetric synthesis of helicenes via a Fischer indolization is discussed. The application of a novel SPINOL-derived phosphoric acid, featuring extended π-surfaces as 3,3‘-substituents which can potentially participate in π-interactions with the polyaromatic intermediate, afforded the corresponding products in high yields and enantioselectivities. The second part of this work describes the development of a catalytic asymmetric dearomatizing synthesis of 1,4-diketones via an interrupted Fischer indolization. Employing aryl hydrazines with α-substituents next to the hydrazine group prevents the rearomatization which takes place in common Fischer indole syntheses, thus enabling the hydrolysis of the generated diimine species. In the presence of STRIP as catalyst, a variety of different 1,4-diketones could be obtained in generally high yields, diastereo- and enantioselectivities. The last part of this thesis deals with the development of an organocatalytic asymmetric stereodivergent synthesis of novel 3H- and 2H-pyrroles, applying an interrupted Fischer indolization and for the 2H-pyrroles a subsequent stereospecific [1,5]-alkyl shift. Employing STRIP as catalyst afforded the corresponding products in good to excellent yields and enantioselectivities. Preliminary biological investigations of these novel structure motifs in cell-based assays, monitoring biological signal transduction pathways showed an inhibition of the Hedgehog signaling pathway in a μM range.

Neue und selektive GSTP1-Inhibitoren mit 1,2,4-Trioxanstruktur als Grundlage für die Entwicklung einer effektiven Tumortherapie

Im Rahmen dieser Arbeit wurden selektive Inhibitoren der Glutathion-Transferase P1 (GSTP1) mit 1,2,4-Trioxanstruktur als potentielle Wirkstoffe gegen multiresistente Tumore synthetisiert. Die Darstellung dieser Substanzen erfolgte über Typ-II-Photooxygenierung allylischer Alkohole mit anschließender Säure-katalysierter Peroxyacetalisierung unter Verwendung von 4-Nitrobenzaldehyd. Über diesen Syntheseweg konnten unterschiedlich substituierte 1,2,4-Trioxane dargestellt werden. Die höchste biologische Aktivität zeigten Verbindungen mit aromatischen Estersubstituenten am 1,2,4-Trioxanring. Es wurde eine Leitstruktur entwickelt, die einen α,β-ungesättigten aromatischen Estersubstituenten in Position 6 des 1,2,4-Trioxangerüsts und in Position 3 einen 4-Nitrophenylsubstituenten aufweist. Die Verbindungen dieser Substanzklasse zeigen Inhibition der GSTP1 im niedrig mikromolaren Bereich. Durch Aktivitätsstudien an den GST-Klassen A und M konnte gezeigt werden, dass die Verbindungen selektiv GSTP1 inhibieren. Nachdem mittels quantitativer PCR 12 Krebszelllinien, die hohe GSTP1-Expressionsniveaus zeigen, identifiziert worden waren, wurde die Aktivität der 1,2,4-Trioxane gegenüber GST, die in Krebszelllysaten vorkommt, nachgewiesen. Die GST in der Brustkrebsepithelzelllinie HBL100 und der Lungenkarzinomzelllinie SK-MES-1 wird durch 1,2,4-Trioxane noch effektiver inhibiert als aufgereinigte GSTP1 (IC50 im nanomolaren Bereich).

Entwicklung von neuen Radiomarkierungsverfahren und deren Anwendung zur Synthese von Radiotracern für die Positronen-Emissions-Tomographie

In den letzten 30 Jahren hat sich die Positronen Emissions Tomographie (PET) zu einem der wichtigsten Instrumente in der klinischen Diagnostik entwickelt. Neben den ständigen technischen Verbesserungen verdankt die PET ihren klinischen Stellenwert vor allem dem ihr inhärenten Potenzial, physiologische und biochemische Prozesse auf molekularer Ebene und in Echtzeit darzustellen. Aufgrund der wachsenden Zahl neuer und krankheitsspezifischer Radiotracer nimmt sie auch auf dem Gebiet der Wirkstoffentwicklung sowie beim Monitoring von pharmakologischen Interventionen eine immer wichtigere Rolle ein. Grundlegend hierfür ist einerseits das intelligente Design innovativer und selektiver molekularer Sonden mit der Fähigkeit zur Visualisierung molekularer Targets, die in physiologischen und pathophysiologischen Prozessen involviert sind und andererseits die Entwicklung der dafür notwendigen fortschrittlichen Markierungsstrategien. Letzteres ist zentraler Bestandteil der radiochemischen Grundlagenforschung und Hauptgegenstand dieser kumulativen Promotionsarbeit, in dessen Rahmen ein neues „minimalistisches“ Protokoll zur Radiofluorierung ausgearbeitet wurde. Die Entwicklung der sog. „minimalistische“ Methode ermöglicht eine vereinfachte und zeitsparende Herstellung von unterschiedlichsten 18F-markierten Verbindungen, da sie weder der azeotropen Trocknung noch des Zusatzes einer Base oder anderer Additive bedarf. Das neue Radiomarkierungsverfahren umfasst eine direkte Elution von 18F- mittels alkoholischer Lösung der Ammonium-, Diaryliodonium- oder Triarylsulfoniumsalz Vorläufern. Nach Entfernung des Alkohols wird das resultierende [18F]Fluoridsalz in einem geeigneten Lösungsmittel erhitzt. Die hohe Effizienz der auf der „minimalistischen“ Methode basierenden Synthese bietet somit auch einen schnellen Zugang zu 18F-markierten Fluorbenzaldehyden ([18F]FBAs) in großen Aktivitätsmengen, was einen entscheidenden Vorteil für die Entwicklung neuer Markierungsmethoden mit Hilfe dieses Radiomarkierungsbausteins darstellt. Darauf aufbauend wurde, ausgehend von [18F]FBA, auf der Basis der Seyferth-Gilbert Homologisierung, ein innovatives Verfahren zur Synthese von bisher unbekannten 18F-markierten Fluorarylacetylenen entwickelt. Hierdurch konnten über Cycloadditions- und Kreuzkupplungsreaktionen unterschiedliche radiomarkierte Modellverbindungen sowie PET-Tracer hergestellt und somit die Vielseitigkeit der neuen radiomarkierten Synthone aufgezeigt werden. Die durch die „minimalistische“ Methode gesteigerte Effizienz der Synthese von [18F]FBA ermöglicht es ebenfalls, den bereits in der Literatur bekannten Markierungsbaustein C-(4-[18F]Fluorphenyl)-N-phenylnitron [18F]FPPN in ausreichenden Mengen zu produzieren und für die zielgerichtete Synthese diverser radiofluorierter -Lactame über die Kinugasa-Reaktion einzusetzen. Mit dem Erhalt der radiofluorierten β-Lactam-Peptid und -Protein-Konjugate in hohen radiochemischen Ausbeuten unter sehr milden Bedingungen, konnte die Eignung der Kinugasa-Reaktion als neues und leistungsstarkes Radiofluorierungsverfahren eindrucksvoll demonstriert werden. 

Peptide-mediated oligonucleotide delivery into eucaryotic cells

Nukleinsäuren sind viel versprechende Moleküle um genetisch bedingte Erkrankungen zu behandeln. Die unzureichende Serumstabilität und die schlechte Zellaufnahme aufgrund des hohen Molekulargewichts, der negativen Ladung und des hydrophilen Charakters der Nukleinsäure, erschweren jedoch die klinischen Anwendungen. Des Weiteren müssen bevor die Nukleinsäuren einem Patienten verabreicht werden können, geeignete in vitro-Systeme entwickelt werden, um die Auswirkungen der Nukleinsäure auf die Zellen zu untersuchen. Daher wurden zahlreiche virale als auch nicht-virale Transportsysteme entwickelt, um den Transport der therapeutischen Nukleinsäuren in die Zellen zu erleichtern. Da jedoch die Anwendung von viralen Vektoren mit vielen Nachteilen verbunden ist, werden nicht-virale Transportsysteme mit einem guten Wirkungsgrad und einer geringen Toxizität dringend benötigt. In den letzten Jahren sind sogenannte zellpenetrierende Peptide (cell penetrating peptides, CPP) als effektive, nicht-virale Vektoren für den Nukleinsäure-Transfer in den Fokus der Forschung getreten. Sie sind in der Lage, Moleküle in das Zellinnere zu transportieren, welche aufgrund ihrer Ladung, Größe und Hydrophilie normalerweise nicht die Zellmembran passieren können. Ziel dieser Arbeit war die Etablierung von geeigneten in vitro-Systemen sowie die Entwicklung von neuen peptid-basierten Transportmolekülen, die über eine nicht-kovalente Verbindung in der Lage sind, die Nukleinsäuren in die Zellen zu transportieren. Hierfür wurden verschiedene CPPs im Hinblick auf ihre Transportfähigkeit für Forschungsbereiche untersucht, die noch geeignete Transporter benötigen. Die untersuchten CPPs wurden sowohl von dem humanen Calcitonin (hCT) als auch von dem kationischen antimikrobiellen Peptid CAP18 (sC18) abgeleitet. Die in dieser Arbeit untersuchten CPPs waren in der Lage, Nukleinsäuren erfolgreich in verschiedene Zelllinien (MCF-7, HEK-293 und hTERT RPE-1) zu transportierten, ohne dabei die Vitalität der Zellen zu beeinflussen. Des Weiteren konnte für das CPP N-E5L-hCT(18-32)-k7 eine bemerkenswert hohe Transfektions-Effizienz erzielt werden, nachdem nicht-differenzierte hTERT RPE-1 Zellen damit transfiziert wurden. Die Effizienz überschritt sogar die von Lipofectamin, welches als positiv Kontrolle verwendet wurde. CPP N-E5L-hCT(18-32)-k7 war zudem in der Lage in einzellige Protisten (Choanoflagellate) zu internalisieren.