Tropospheric carboxylic acids in tropical rainforest environments

Der Übergang der Grenzschicht von stark ozeanisch auf kontinental beeinflusst wurde in 2 tropischen Küstenwaldgebieten Amerikas untersucht, wo Luftmassen vom Meer kommend über den Kontinent transportiert werden.Zwei Feldkampagnen wurden durchgeführt; in Costa Rica (CR; 07.1996) und in Surinam (04.1998). In CR wurde im nordöstlichen Flachgebiet (etwa 10°25' N; 84°W) Regenwasser gesammelt, in dem später Carboxylate, anorganischen Anionen, Ca2+, K+, NH4+ und Mg2+ gemessen wurden. Die Proben wurden an 5 verschiedenen Stellen entlang der Windrichtung 1, 20, 60, 60 und 80 km von der Küste gesammelt. In Surinam (Sipaliwini, 2°02' N, 56°08' W) wurden organischen Säuren aus der Gasphase gesammelt etwa 550 km von der Küste entfernt, sowohl wie O3 und CO. Die Proben wurden mittels Ionenchromatographie und Kapillarelektrophorese analysiert. Morgendliche Einmischung der nächtlichen residualen Schicht und Luft der unteren freien Troposphäre war Hauptquelle für HCOOH und CH3COOH in der Tagesmischschicht. Es wurde gezeigt, dass lokale Produktion dieser Säuren durch chemische Reaktionen eine kleine Rolle gespielt hat und dass direkte Emission vernachlässigbar war.Aus den beiden Feldkampagnen folgt, dass die Konzentrationen der sekundären Verbindungen HCOOH, CH3COOH, Ozon und CO in der Tagesmischschicht von Importen bestimmt wurden, was gilt für Regen- und Trockenzeit bis zu Entfernungen von 550 km zur Küste.

Entwicklung einer online Kopplungsmethode von GC mit ECD- und ICPMS-Detektion zur Bestimmung biogener leichtflüchtiger bromierter und iodierter Kohlenwasserstoffe in Meerwasser und der Atmosphäre

In dieser Arbeit wurde ein zweidimensionales Kopplungssystem zur Bestimmung von leichtflüchtigen bromierten und iodierten Kohlenwasserstoffen (LHKW) in Wasser- und Luftproben entwickelt. Hierzu wurde ein Gaschromatograph mit einem Elektroneneinfangdetektor (ECD) on-line an ein elementselektives induktiv gekoppeltes Plasma-Massenspektrometer (ICPMS) gekoppelt. Dieses extrem nachweisstarke Analysensystem ermöglicht eine simultane Identifizierung unbekannter und koeluierender Peaks sowie eine vereinfachte Quantifizierung mittels ICPMS. Beim Vergleich des GC-ECD-ICPMS-Kopplungssystem mit den herkömmlichen Detektionsmethoden wie dem Massenspektrometer mit Elektronenstoss-Ionisation und dem Atomemissionsdetektor mit mikrowelleninduziertem Plasma schnitt das neu entwickelte Kopplungssystem ausgezeichnet ab. Für die Isolierung der LHKW aus Meerwasserproben wurde die Purge und Trap Technik verwendet, Luftproben wurden durch Besaugung auf Adsorptionsmaterial angereichert. Im Rahmen des BMBF-Teilprojektes ReHaTrop/AFOHAL wurden im August 2001 und im April/Mai 2002 an der Deutschen Nordseeküste Probenahmen durchgeführt. Die Konzentrationen der Wasserproben lagen im Bereich von 0,1-158 ng L-1, die der Luftproben im Bereich von 0,01-470 pptv. Die Messungen bestätigen die wichtige Rolle von Makroalgen im Zusammenhang mit der Produktion von halogenierten Kohlenwasserstoffen. Die Konzentration der iodierten und bromierten Kohlenwasserstoffe war immer höher in Proben, die direkten Kontakt mit Makroalgen hatten. Inkubationsexperimente zeigen für verschiedene braune und grüne Makroalgen individuelle „Fingerprints“ der biogenen LHKW-Produktion. Bei den Messungen an der Nordseeküste wurden Abhängigkeiten zwischen den LHKW und meteorologischen Parametern gefunden.

Spurenanalyse von Uran und Plutonium sowie Speziationsuntersuchungen an Plutonium mit massenspektrometrischen und kapillarelektrophoretischen Methoden

Die Elemente Uran und Plutonium besitzen seit Entdeckung der Kernspaltung und der technischen Nutzung der Kernenergie eine globale Bedeutung. So trägt Pu hauptsächlich zur Radiotoxizität von abgebrannten Brennelementen bei und erfordert im Falle einer Endlagerung in einer tiefen geologischen Formation einen sicheren Verschluss für bis zu einer Million Jahre. Das Wissen über die vorliegenden chemischen Spezies ist dabei entscheidend für das Verständnis der chemisch-physikalischen Wechselwirkungen im jeweiligen geochemischen System, insbesondere mit dem Wirtsgestein (hier Ton) und den allgegenwärtigen Huminstoffen (hier Fulvinsäure). Längerfristig sind so Vorhersagen über einen Transport des hochradioaktiven Abfalls nach Auslaugung und Austritt aus einem Endlager bis in die Biosphäre möglich. Gerade der Ultraspurenbereich, im Fernfeld eines Endlagers zu erwarten, ist dabei von besonderem Interesse. Darüber hinaus machen nuklearforensische Untersuchungen – in Hinblick auf illegal benutztes Nuklearmaterial, Schmuggel oder Nuklearterrorismus – zur Bestimmung der Herkunft, des Alters oder der Radiotoxizität isotopenselektive Nachweismethoden im Ultraspurenbereich notwendig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hierfür die Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) zur isotopenselektiven Spuren- und Ultraspurenanalyse von U und Pu sowie die Kapillarelektrophorese (CE) gekoppelt an die induktiv gekoppelte Plasma (ICP)-Massenspektrometrie (CE-ICP-MS) zur Speziation von Pu eingesetzt. Für den isotopenselektiven Nachweis von Ultraspurenmengen von Uran mittels RIMS wurden vorbereitende Studien durchgeführt und mehrere zweifach resonante Anregungsleitern mit nicht-resonanter Ionisation untersucht. Eine Effizienz von ca. 10^-10 bei einer Nachweisgrenze von 10^12 Atomen U-238 konnte erzielt werden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Radiochemie, TU München, wurde mittels RIMS die Isotopenzusammensetzung von Plutonium, abgetrennt aus einem panzerbrechenden Urangeschoss aus dem Kosovokonflikt, bestimmt und dieses als Waffenplutonium mit einem Gehalt von 15 pg Pu-239/g Uran identifiziert. Rückschlüsse über Herkunft und Alter des Plutoniums konnten daraus gewonnen werden. Für Studien zur Umweltüberwachung von Plutonium in Rheinland-Pfalz wurden Grund-, Oberflächen- und Klärwasserproben mittels RIMS untersucht. Oberhalb der Nachweisgrenze von ca. 10^7 Atomen Pu-239/500 mL konnte kein signifikanter Gehalt bestimmt werden. Zusätzlich wurden Klärschlammproben untersucht, wobei in einer Probe 5,1*10^7 Atome Pu-239/g gemessen wurde, was auf eine Anreicherung von Pu im Klärschlamm aus großen Wasservolumina hindeuten könnte. Speziationsuntersuchungen von Plutonium in Kontakt mit Fulvinsäure und dem Tonmineral Kaolinit wurden in Hinblick auf die Wechselwirkungen im Umfeld eines nuklearen Endlagers durchgeführt. Die Redoxkinetik von Pu(VI) in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure zeigt eine mit steigendem pH zunehmend schnellere und vollständige Reduktion und ein vergleichbares Verhalten zur Huminsäure. Für ein Plutoniumgemisch aus allen vier umweltrelevanten Oxidationsstufen in Kontakt mit Gorleben-Fulvinsäure konnte nach ca. 1 Monat Kontaktzeit eine fasst vollständige Reduktion zum tri- und tetravalenten Pu beobachtet werden. Sorptionsuntersuchungen der stabilsten Oxidationsstufe, Pu(IV), in Kontakt mit Kaolinit bei pH = 0 bis 13 im Konzentrationsbereich 10^-7 bis 10^-9 mol/L verdeutlichen das ausgeprägte Sorptionsverhalten von Pu(IV) (ca. 60% bis 90% Sorption) im umweltrelevanten pH-Bereich bei einem Einsetzen der Sorption bei pH = 0 bis 2. Im Rahmen des "Colloid and Radionuclide Retardation" (CRR) Experiments im Felslabor Grimsel, Schweizer Alpen, wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Nukleare Entsorgung, Karlsruhe, die kolloidgetragene Migration von Pu(IV) in einem Grundwasserstrom durch Scherzonen im Granitgestein unter umweltrelevanten Bedingungen untersucht. Bei Zugabe von im Grundwasser stabilen Bentonitkolloiden – Bentonit wird als ein geeignetes Verschlussmaterial für nukleare Abfälle erforscht – konnte ein erhöhter Transport des Pu(IV) beobachtet werden, der durch Sorption des Pu an die mobilen Kolloide hervorgerufen wird. Zur Speziation von Plutonium im Ultraspurenbereich wurde im Rahmen dieser Arbeit an der Entwicklung der Kopplung der CE mit der sehr sensitiven RIMS gearbeitet. Das Prinzip der offline-Kopplung basiert auf dem Sammeln der zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Kapillare eluierten Oxidationsstufen in einzelnen Fraktionen. Aus jeder Fraktion wird ein eigenes Filament hergestellt und mit RIMS auf seinen Plutoniumgehalt untersucht. Eine erste Validierung der Methode konnte durch Bestimmung der Oxidationsstufenzusammensetzung eines bekannten Gemischs erfolgreich für einen Gehalt von ca. 6*10^9 Atome Pu-239 durchgeführt werden. Dies stellt einen möglichen Zugang zu dem erwarteten Konzentrationsbereich im Fernfeld eines Endlagers dar.

Hsp90 characterization and inhibition: a multi-methodological study

Many physiological and pathological processes are mediated by the activity of proteins assembled in homo and/or hetero-oligomers. The correct recognition and association of these proteins into a functional complex is a key step determining the fate of the whole pathway. This has led to an increasing interest in selecting molecules able to modulate/inhibit these protein-protein interactions. In particular, our research was focused on Heat Shock Protein 90 (Hsp90), responsible for the activation and maturation and disposition of many client proteins [1], [2] [3]. Circular Dichroism (CD) spectroscopy, Surface Plasmon Resonance (SPR) and Affinity Capillary Electrophoresis (ACE) were used to characterize the Hsp90 target and, furthermore, its inhibition process via C-terminal domain driven by the small molecule Coumermycin A1. Circular Dichroism was used as powerful technique to characterize Hsp90 and its co-chaperone Hop in solution for secondary structure content, stability to different pHs, temperatures and solvents. Furthermore, CD was used to characterize ATP but, unfortunately, we were not able to monitor an interaction between ATP and Hsp90. The utility of SPR technology, on the other hand, arises from the possibility of immobilizing the protein on a chip through its N-terminal domain to later study the interaction with small molecules able to disrupt the Hsp90 dimerization on the C-terminal domain. The protein was attached on SPR chip using the “amine coupling” chemistry so that the C-terminal domain was free to interact with Coumermycin A1. The goal of the experiment was achieved by testing a range of concentrations of the small molecule Coumermycin A1. Despite to the large difference in the molecular weight of the protein (90KDa) and the drug (1110.08 Da), we were able to calculate the affinity constant of the interaction that was found to be 11.2 µm. In order to confirm the binding constant calculated for the Hsp90 on the chip, we decided to use Capillary Electrophoresis to test the Coumermycin binding to Hsp90. First, this technique was conveniently used to characterize the Hsp90 sample in terms of composition and purity. The experimental conditions were settled on two different systems, the bared fused silica and the PVA-coated capillary. We were able to characterize the Hsp90 sample in both systems. Furthermore, we employed an application of capillary electrophoresis, the Affinity Capillary Electrophoresis (ACE), to measure and confirm the binding constant calculated for Coumermycin on Optical Biosensor. We found a KD = 19.45 µM. This result compares favorably with the KD previously obtained on biosensor. This is a promising result for the use of our novel approach to screen new potential inhibitors of Hsp90 C-terminal domain.

Theoretical studies of fluid membrane mechanics

Biologische Membranen sind Fettmolekül-Doppelschichten, die sich wie zweidimensionale Flüssigkeiten verhalten. Die Energie einer solchen fluiden Oberfläche kann häufig mit Hilfe eines Hamiltonians beschrieben werden, der invariant unter Reparametrisierungen der Oberfläche ist und nur von ihrer Geometrie abhängt. Beiträge innerer Freiheitsgrade und der Umgebung können in den Formalismus mit einbezogen werden. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit dazu verwendet, die Mechanik fluider Membranen und ähnlicher Oberflächen zu untersuchen. Spannungen und Drehmomente in der Oberfläche lassen sich durch kovariante Tensoren ausdrücken. Diese können dann z. B. dazu verwendet werden, die Gleichgewichtsposition der Kontaktlinie zu bestimmen, an der sich zwei aneinander haftende Oberflächen voneinander trennen. Mit Ausnahme von Kapillarphänomenen ist die Oberflächenenergie nicht nur abhängig von Translationen der Kontaktlinie, sondern auch von Änderungen in der Steigung oder sogar Krümmung. Die sich ergebenden Randbedingungen entsprechen den Gleichgewichtsbedingungen an Kräfte und Drehmomente, falls sich die Kontaktlinie frei bewegen kann. Wenn eine der Oberflächen starr ist, muss die Variation lokal dieser Fläche folgen. Spannungen und Drehmomente tragen dann zu einer einzigen Gleichgewichtsbedingung bei; ihre Beiträge können nicht mehr einzeln identifiziert werden. Um quantitative Aussagen über das Verhalten einer fluiden Oberfläche zu machen, müssen ihre elastischen Eigenschaften bekannt sein. Der "Nanotrommel"-Versuchsaufbau ermöglicht es, Membraneigenschaften lokal zu untersuchen: Er besteht aus einer porenüberspannenden Membran, die während des Experiments durch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in die Pore gedrückt wird. Der lineare Verlauf der resultierenden Kraft-Abstands-Kurven kann mit Hilfe der in dieser Arbeit entwickelten Theorie reproduziert werden, wenn der Einfluss von Adhäsion zwischen Spitze und Membran vernachlässigt wird. Bezieht man diesen Effekt in die Rechnungen mit ein, ändert sich das Resultat erheblich: Kraft-Abstands-Kurven sind nicht länger linear, Hysterese und nichtverschwindende Trennkräfte treten auf. Die Voraussagen der Rechnungen könnten in zukünftigen Experimenten dazu verwendet werden, Parameter wie die Biegesteifigkeit der Membran mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu bestimmen. Wenn die Materialeigenschaften bekannt sind, können Probleme der Membranmechanik genauer betrachtet werden. Oberflächenvermittelte Wechselwirkungen sind in diesem Zusammenhang ein interessantes Beispiel. Mit Hilfe des oben erwähnten Spannungstensors können analytische Ausdrücke für die krümmungsvermittelte Kraft zwischen zwei Teilchen, die z. B. Proteine repräsentieren, hergeleitet werden. Zusätzlich wird das Gleichgewicht der Kräfte und Drehmomente genutzt, um mehrere Bedingungen an die Geometrie der Membran abzuleiten. Für den Fall zweier unendlich langer Zylinder auf der Membran werden diese Bedingungen zusammen mit Profilberechnungen kombiniert, um quantitative Aussagen über die Wechselwirkung zu treffen. Theorie und Experiment stoßen an ihre Grenzen, wenn es darum geht, die Relevanz von krümmungsvermittelten Wechselwirkungen in der biologischen Zelle korrekt zu beurteilen. In einem solchen Fall bieten Computersimulationen einen alternativen Ansatz: Die hier präsentierten Simulationen sagen voraus, dass Proteine zusammenfinden und Membranbläschen (Vesikel) bilden können, sobald jedes der Proteine eine Mindestkrümmung in der Membran induziert. Der Radius der Vesikel hängt dabei stark von der lokal aufgeprägten Krümmung ab. Das Resultat der Simulationen wird in dieser Arbeit durch ein approximatives theoretisches Modell qualitativ bestätigt.

Entwicklung eines Pikoliter-Tropfengenerators für die Massenspektrometrische Spuren- und Speziesanalytik

Die Dissertationsschrift beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung einer alternativen Probenzuführungstechnik für flüssige Proben in der Massenspektrometrie. Obwohl bereits einige Anstrengungen zur Verbesserung unternommen wurden, weisen konventionelle pneumatische Zerstäuber- und Sprühkammersysteme, die in der Elementspurenanalytik mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) standardmäßig verwendet werden, eine geringe Gesamteffizienz auf. Pneumatisch erzeugtes Aerosol ist durch eine breite Tropfengrößenverteilung gekennzeichnet, was den Einsatz einer Sprühkammer bedingt, um die Aerosolcharakteristik an die Betriebsbedingungen des ICPs anzupassen.. Die Erzeugung von Tropfen mit einer sehr engen Tropfengrößenverteilung oder sogar monodispersen Tropfen könnte die Effizienz des Probeneintrags verbessern. Ein Ziel dieser Arbeit ist daher, Tropfen, die mittels des thermischen Tintenstrahldruckverfahrens erzeugt werden, zum Probeneintrag in der Elementmassenspektrometrie einzusetzen. Das thermische Tintenstrahldruckverfahren konnte in der analytischen Chemie im Bereich der Oberflächenanalytik mittels TXRF oder Laserablation bisher zur gezielten, reproduzierbaren Deposition von Tropfen auf Oberflächen eingesetzt werden. Um eine kontinuierliche Tropfenerzeugung zu ermöglichen, wurde ein elektronischer Mikrokontroller entwickelt, der eine Dosiereinheit unabhängig von der Hard- und Software des Druckers steuern kann. Dabei sind alle zur Tropfenerzeugung relevanten Parameter (Frequenz, Heizpulsenergie) unabhängig voneinander einstellbar. Die Dosiereinheit, der "drop-on-demand" Aerosolgenerator (DOD), wurde auf eine Aerosoltransportkammer montiert, welche die erzeugten Tropfen in die Ionisationsquelle befördert. Im Bereich der anorganischen Spurenanalytik konnten durch die Kombination des DOD mit einem automatischen Probengeber 53 Elemente untersucht und die erzielbare Empfindlichkeiten sowie exemplarisch für 15 Elemente die Nachweisgrenzen und die Untergrundäquivalentkonzentrationen ermittelt werden. Damit die Vorteile komfortabel genutzt werden können, wurde eine Kopplung des DOD-Systems mit der miniaturisierten Fließinjektionsanalyse (FIA) sowie miniaturisierten Trenntechniken wie der µHPLC entwickelt. Die Fließinjektionsmethode wurde mit einem zertifizierten Referenzmaterial validiert, wobei für Vanadium und Cadmium die zertifizierten Werte gut reproduziert werden konnten. Transiente Signale konnten bei der Kopplung des Dosiersystems in Verbindung mit der ICP-MS an eine µHPLC abgebildet werden. Die Modifikation der Dosiereinheit zum Ankoppeln an einen kontinuierlichen Probenfluss bedarf noch einer weiteren Reduzierung des verbleibenden Totvolumens. Dazu ist die Unabhängigkeit von den bisher verwendeten, kommerziell erhältlichen Druckerpatronen anzustreben, indem die Dosiereinheit selbst gefertigt wird. Die Vielseitigkeit des Dosiersystems wurde mit der Kopplung an eine kürzlich neu entwickelte Atmosphärendruck-Ionisationsmethode, die "flowing atmospheric-pressure afterglow" Desorptions/Ionisations Ionenquelle (FAPA), aufgezeigt. Ein direkter Eintrag von flüssigen Proben in diese Quelle war bislang nicht möglich, es konnte lediglich eine Desorption von eingetrockneten Rückständen oder direkt von der Flüssigkeitsoberfläche erfolgen. Die Präzision der Analyse ist dabei durch die variable Probenposition eingeschränkt. Mit dem Einsatz des DOD-Systems können flüssige Proben nun direkt in die FAPA eingetragen, was ebenfalls das Kalibrieren bei quantitativen Analysen organischer Verbindungen ermöglicht. Neben illegalen Drogen und deren Metaboliten konnten auch frei verkäufliche Medikamente und ein Sprengstoffanalogon in entsprechend präpariertem reinem Lösungsmittel nachgewiesen werden. Ebenso gelang dies in Urinproben, die mit Drogen und Drogenmetaboliten versetzt wurden. Dabei ist hervorzuheben, dass keinerlei Probenvorbereitung notwendig war und zur Ermittlung der NWG der einzelnen Spezies keine interne oder isotopenmarkierte Standards verwendet wurden. Dennoch sind die ermittelten NWG deutlich niedriger, als die mit der bisherigen Prozedur zur Analyse flüssiger Proben erreichbaren. Um im Vergleich zu der bisher verwendeten "pin-to-plate" Geometrie der FAPA die Lösungsmittelverdampfung zu beschleunigen, wurde eine alternative Elektrodenanordnung entwickelt, bei der die Probe länger in Kontakt mit der "afterglow"-Zone steht. Diese Glimmentladungsquelle ist ringförmig und erlaubt einen Probeneintrag mittels eines zentralen Gasflusses. Wegen der ringförmigen Entladung wird der Name "halo-FAPA" (h-FAPA) für diese Entladungsgeometrie verwendet. Eine grundlegende physikalische und spektroskopische Charakterisierung zeigte, dass es sich tatsächlich um eine FAPA Desorptions/Ionisationsquelle handelt.

Proteomic changes in the rat brain induced by homogenous irradiation and by the bystander effect resulting from high energy synchrotron X-ray microbeams

Abstract Purpose: To further evaluate the use of microbeam irradiation (MBI) as a potential means of non-invasive brain tumor treatment by investigating the induction of a bystander effect in non-irradiated tissue. Methods: Adult rats were irradiated with 35 or 350 Gy at the European Synchotron Research Facility (ESRF), using homogenous (broad beam) irradiation (HI) or a high energy microbeam delivered to the right brain hemisphere only. The proteome of the frontal lobes were then analyzed using two-dimensional electrophoresis (2-DE) and mass spectrometry. Results: HI resulted in proteomic responses indicative of tumourigenesis; increased albumin, aconitase and triosphosphate isomerase (TPI), and decreased dihydrolipoyldehydrogenase (DLD). The MBI bystander effect proteomic changes were indicative of reactive oxygen species mediated apoptosis; reduced TPI, prohibitin and tubulin and increased glial fibrillary acidic protein (GFAP). These potentially anti-tumourigenic apoptotic proteomic changes are also associated with neurodegeneration. However the bystander effect also increased heat shock protein (HSP) 71 turnover. HSP 71 is known to protect against all of the neurological disorders characterized by the bystander effect proteome changes. Conclusions: These results indicate that the collective interaction of these MBI-induced bystander effect proteins and their mediation by HSP 71, may confer a protective effect which now warrants additional experimental attention.

Understanding Electrophoretic Stacking Of In-Capillary Generated Reaction Products

The separation of small molecules by capillary electrophoresis is governed by a complex interplay among several physical effects. Until recently, a systematic understanding of how the influence of all of these effects is observed experimentally has remained unclear. The work presented in this thesis involves the use of transient isotachophoretic stacking (tITP) and computer simulation to improve and better understand an in-capillary chemical assay for creatinine. This assay involves the use of electrophoretically mediated micro-analysis (EMMA) to carry out the Jaffé reaction inside a capillary tube. The primary contribution of this work is the elucidation of the role of the length and concentration of the hydroxide plug used to achieve tITP stacking of the product formed by the in-capillary EMMA/Jaffé method. Computer simulation using SIMUL 5.0 predicts that a 3-4 fold gain in sensitivity can be recognized by timing the tITP stacking event such that the Jaffé product peak is at its maximum height as that peak is electrophoresing past the detection window. Overall, the length of the hydroxide plug alters the timing of the stacking event and lower concentration plugs of hydroxide lead to more rapidly occurring tITP stacking events. Also, the inclusion of intentional tITP stacking in the EMMA/Jaffé method improves the sensitivity of the assay, including creatinine concentrations within the normal biological range. Ultimately, improvement in assay sensitivity can be rationally designed by using the length and concentration of the hydroxide plug to engineer the timing of the tITP stacking event such that stacking occurs as the Jaffé product is passing the detection window.

OPTIMIZING A SHORT-END ELECTROPHORETICALLY MEDIATED MICRO-ANALYSIS (EMMA) ASSAY FOR CREATININE

In this work electrophoretically mediated micro-analysis (EMMA) is used in conjunction with short end injection to improve the in-capillary Jaffé assay for creatinine. Key advances over prior work include (i) using simulation to ensure intimate overlap of reagent plugs, (ii) using OH- to drive the reaction, (iii) using short-end injection to minimize analysis time and in-line product degradation. The potential-driven overlapping time with the EMMA approach, as well as the borate buffer background electrolyte (BGE) concentration and pH are optimized with the short end approach. The best conditions for short-end analyses would not have been predicted by the prior long end work, owing to a complex interplay of separation time and product degradation rates. Raw peak areas and flow-adjusted peak areas for the Jaffé reaction product (at 505 nm) are used to assess the sensitivity of the short-end EMMA approach. Optimal overlap conditions depend heavily on local conductivity differences within the reagent zone(s), as these differences cause dramatic voltage field differences, which effect reagent overlap dynamics. Simul 5.0, a dynamic simulation program for capillary electrophoresis (CE) systems, is used to understand the ionic boundaries and profiles that give rise to the experimentally obtained data for EMMA analysis. Overall, fast migration of hydroxide ions from the picrate zone makes difficult reagent overlap. In addition, the challenges associated with the simultaneous overlapping of three reagent zones are considered, and experimental results validate the predictions made by the simulation. With one set of “optimized” conditions including OH- (253 mM) as the third reagent zone the response was linear with creatinine concentration (R2 = 0.998) and reproducible over the clinically relevant range (0.08 to 0.1 mM) of standard creatinine concentrations. An LOD (S/N = 3) of 0.02 mM and LOQ (S/N=10) of 0.08 mM were determined. A significant improvement (43%) in assay sensitivity was obtained compared to prior work that considered only two reagents in the overlap.

Three-dimensional vision enhances task performance independently of the surgical method

Within the next few years, the medical industry will launch increasingly affordable three-dimensional (3D) vision systems for the operating room (OR). This study aimed to evaluate the effect of two-dimensional (2D) and 3D visualization on surgical skills and task performance.

Antinociceptive effects, metabolism and disposition of ketamine in ponies under target-controlled drug infusion

Ketamine is widely used as an anesthetic in a variety of drug combinations in human and veterinary medicine. Recently, it gained new interest for use in long-term pain therapy administered in sub-anesthetic doses in humans and animals. The purpose of this study was to develop a physiologically based pharmacokinetic (PBPk) model for ketamine in ponies and to investigate the effect of low-dose ketamine infusion on the amplitude and the duration of the nociceptive withdrawal reflex (NWR). A target-controlled infusion (TCI) of ketamine with a target plasma level of 1 microg/ml S-ketamine over 120 min under isoflurane anesthesia was performed in Shetland ponies. A quantitative electromyographic assessment of the NWR was done before, during and after the TCI. Plasma levels of R-/S-ketamine and R-/S-norketamine were determined by enantioselective capillary electrophoresis. These data and two additional data sets from bolus studies were used to build a PBPk model for ketamine in ponies. The peak-to-peak amplitude and the duration of the NWR decreased significantly during TCI and returned slowly toward baseline values after the end of TCI. The PBPk model provides reliable prediction of plasma and tissue levels of R- and S-ketamine and R- and S-norketamine. Furthermore, biotransformation of ketamine takes place in the liver and in the lung via first-pass metabolism. Plasma concentrations of S-norketamine were higher compared to R-norketamine during TCI at all time points. Analysis of the data suggested identical biotransformation rates from the parent compounds to the principle metabolites (R- and S-norketamine) but different downstream metabolism to further metabolites. The PBPk model can provide predictions of R- and S-ketamine and norketamine concentrations in other clinical settings (e.g. horses).

Stereoselective pharmacokinetics of ketamine and norketamine after racemic ketamine or S-ketamine administration during isoflurane anaesthesia in Shetland ponies

BACKGROUND: The arterial pharmacokinetics of ketamine and norketamine enantiomers after racemic ketamine or S-ketamine i.v. administration were evaluated in seven gelding ponies in a crossover study (2-month interval). METHODS: Anaesthesia was induced with isoflurane in oxygen via a face-mask and then maintained at each pony's individual MAC. Racemic ketamine (2.2 mg kg(-1)) or S-ketamine (1.1 mg kg(-1)) was injected in the right jugular vein. Blood samples were collected from the right carotid artery before and at 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, and 128 min after ketamine administration. Ketamine and norketamine enantiomer plasma concentrations were determined by capillary electrophoresis. Individual R-ketamine and S-ketamine concentration vs time curves were analysed by non-linear least square regression two-compartment model analysis using PCNonlin. Plasma disposition curves for R-norketamine and S-norketamine were described by estimating AUC, C(max), and T(max). Pulse rate (PR), respiratory rate (R(f)), tidal volume (V(T)), minute volume ventilation (V(E)), end-tidal partial pressure of carbon dioxide (PE'(CO(2))), and mean arterial blood pressure (MAP) were also evaluated. RESULTS: The pharmacokinetic parameters of S- and R-ketamine administered in the racemic mixture or S-ketamine administered separately did not differ significantly. Statistically significant higher AUC and C(max) were found for S-norketamine compared with R-norketamine in the racemic group. Overall, R(f), V(E), PE'(CO(2)), and MAP were significantly higher in the racemic group, whereas PR was higher in the S-ketamine group. CONCLUSIONS: Norketamine enantiomers showed different pharmacokinetic profiles after single i.v. administration of racemic ketamine in ponies anaesthetised with isoflurane in oxygen (1 MAC). Cardiopulmonary variables require further investigation.

Water transport in complex, non-wetting porous layers with applications to water management in low temperature fuel cells

An experimental setup was designed to visualize water percolation inside the porous transport layer, PTL, of proton exchange membrane, PEM, fuel cells and identify the relevant characterization parameters. In parallel with the observation of the water movement, the injection pressure (pressure required to transport water through the PTL) was measured. A new scaling for the drainage in porous media has been proposed based on the ratio between the input and the dissipated energies during percolation. A proportional dependency was obtained between the energy ratio and a non-dimensional time and this relationship is not dependent on the flow regime; stable displacement or capillary fingering. Experimental results show that for different PTL samples (from different manufacturers) the proportionality is different. The identification of this proportionality allows a unique characterization of PTLs with respect to water transport. This scaling has relevance in porous media flows ranging far beyond fuel cells. In parallel with the experimental analysis, a two-dimensional numerical model was developed in order to simulate the phenomena observed in the experiments. The stochastic nature of the pore size distribution, the role of the PTL wettability and morphology properties on the water transport were analyzed. The effect of a second porous layer placed between the porous transport layer and the catalyst layer called microporous layer, MPL, was also studied. It was found that the presence of the MPL significantly reduced the water content on the PTL by enhancing fingering formation. Moreover, the presence of small defects (cracks) within the MPL was shown to enhance water management. Finally, a corroboration of the numerical simulation was carried out. A threedimensional version of the network model was developed mimicking the experimental conditions. The morphology and wettability of the PTL are tuned to the experiment data by using the new energy scaling of drainage in porous media. Once the fit between numerical and experimental data is obtained, the computational PTL structure can be used in different types of simulations where the conditions are representative of the fuel cell operating conditions.

Stereoselective biotransformation of ketamine in equine liver and lung microsomes

Stereoselectivity has to be considered for pharmacodynamic and pharmacokinetic features of ketamine. Stereoselective biotransformation of ketamine was investigated in equine microsomes in vitro. Concentration curves were constructed over time, and enzyme activity was determined for different substrate concentrations using equine liver and lung microsomes. The concentrations of R/S-ketamine and R/S-norketamine were determined by enantioselective capillary electrophoresis. A two-phase model based on Hill kinetics was used to analyze the biotransformation of R/S-ketamine into R/S-norketamine and, in a second step, into R/S-downstream metabolites. In liver and lung microsomes, levels of R-ketamine exceeded those of S-ketamine at all time points and S-norketamine exceeded R-norketamine at time points below the maximum concentration. In liver and lung microsomes, significant differences in the enzyme velocity (V(max)) were observed between S- and R-norketamine formation and between V(max) of S-norketamine formation when S-ketamine was compared to S-ketamine of the racemate. Our investigations in microsomal reactions in vitro suggest that stereoselective ketamine biotransformation in horses occurs in the liver and the lung with a slower elimination of S-ketamine in the presence of R-ketamine. Scaling of the in vitro parameters to liver and lung organ clearances provided an excellent fit with previously published in vivo data and confirmed a lung first-pass effect.

Projection structure of DtpD (YbgH), a prokaryotic member of the peptide transporter family

Cellular uptake of di- and tripeptides has been characterized in numerous organisms, and various transporters have been identified. In contrast, structural information on peptide transporters is very sparse. Here, we have cloned, overexpressed, purified, and biochemically characterized DtpD (YbgH) from Escherichia coli, a prokaryotic member of the peptide transporter family. Its homologues in mammals, PEPT1 (SLC15A1) and PEPT2 (SLC15A2), not only transport peptides but also are of relevance for uptake of drugs as they accept a large spectrum of peptidomimetics such as beta-lactam antibiotics, antivirals, peptidase inhibitors, and others as substrates. Uptake experiments indicated that DtpD functions as a canonical peptide transporter and is, therefore, a valid model for structural studies of this family of proteins. Blue native polyacrylamide gel electrophoresis, gel filtration, and transmission electron microscopy of single-DtpD particles suggest that the transporter exists in a monomeric form when solubilized in detergent. Two-dimensional crystallization of DtpD yielded first tubular crystals that allowed the determination of a projection structure at better than 19 A resolution. This structure of DtpD represents the first structural view of a member of the peptide transporter family.