6 Zusammenfassung Marianne Reinboth Bioverfügbarkeit des Flavonols Quercetin beim Hund Veterinär-Physiologisches Institut der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig Eingereicht im Juni 2010 79 Seiten, 20 Abbildungen, 6 Tabellen, 211 Literaturangaben, 1 Anhang Schlüsselwörter: Quercetin, Bioverfügbarkeit, Hund, absolute Bioverfügbarkeit, Isoquercitrin, Rutin, Flavonole Für das pflanzliche Flavonol Quercetin werden vielfältige gesundheitsfördernde Wirkungen postuliert, so auch bei Hunden. Über die Bioverfügbarkeit des Flavonols bei dieser Spezies liegen bislang jedoch keinerlei Daten vor. Daher hatte diese Arbeit das Ziel, Bioverfügbarkeit und pharmakokinetische Parameter von Quercetin und wichtigen Quercetinglycosiden bei Hunden nach deren Verabreichung mit einer Testmahlzeit in einer praxisrelevanten Dosierung von 10 mg/kg Körpermasse zu untersuchen. Dazu erhielten 9 adulte Beagles beiderlei Geschlechts das zuckerfreie \"Aglycon\" Quercetin bzw. seine Glycoside Isoquercitrin (Quercetin-3-O-Glucosid) und Rutin (Quercetin-3-O-Glucorhamnosid) in jeweils äquimolarer Dosierung in einer Testmahlzeit verabreicht. Anschließend wurden Blutproben über einen Zeitraum von bis zu 72 Stunden entnommen und mittels HPLC die Konzentrations-Zeitverläufe der Metaboliten im Blutplasma, die Bioverfügbarkeit sowie weitere pharmakokinetische Parameter bestimmt. Weiterhin wurde die absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin aus dem Vergleich einer oralen mit einer intravenösen Applikation bestimmt. Der weitaus größte Teil der Plasmametaboliten von Quercetin sowie seiner beiden Glycoside bestand aus glucuronidierten bzw. sulfatierten Quercetinkonjugaten. Nicht konjugiertes Quercetin-Aglycon kam nur in einem Anteil von etwa 20 % vor. Neben Quercetin machten seine Metaboliten Isorhamnetin und Kämpferol weniger als 10 % aller im Plasma zirkulierenden Flavonole aus. Die absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin betrug nur etwa 4 %. Die relative Bioverfügbarkeit aus dem 3-O-Glucosid Isoquercitrin war mehr als doppelt so hoch wie aus dem Aglycon, die maximalen Plasmaspiegel lagen aber auch hier unter 1 µmol/l. Sowohl nach Aufnahme von Quercetin als auch nach Isoquercitrin kam es zu einer relativ schnellen Absorption aus dem Dünndarm mit einem ersten Plasmapeak ungefähr eine Stunde nach der Ingestion. Vier Stunden nach Aufnahme der beiden Flavonole trat ein zweiter Plasmapeak auf, der in der Regel höher als der erste ausfiel. Dies deutet auf einen enterohepatischen Kreislauf der über die Galle ausgeschiedenen Metaboliten hin. Nach Aufnahme von Rutin kam es zu einer verzögerten Absorption, da eine Deglycosylierung durch bakterielle Glycosidasen im Dickdarm Voraussetzung für die Absorption des Flavonols ist. Maximale Plasmakonzentrationen wurden im Mittel erst 11 Stunden nach Ingestion dieses Glycosids erreicht. Die maximalen Plasmakonzentra-tionen nach Rutin waren geringer als nach Quercetin oder Isoquercitrin, jedoch war die mittlere Verweildauer der Plasmametaboliten mit 18 Stunden auch wesentlich länger. Im Unterschied zu anderen Spezies war die relative Bioverfügbarkeit von Rutin gegenüber Quercetin nicht verringert. Obwohl Rutin eine relativ gute Quercetinquelle für Hunde zu sein scheint, muss bei der Einschätzung möglicher In-vivo-Wirkungen die relativ geringe Bioverfügbarkeit sowie die intensive Metabolisierung seines Aglycons Quercetin berücksichtigt werden.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Funktionen von Flavonoiden in Pflanzen 3 2.2 Biosynthese und Struktur von Flavonoiden 4 2.3 Flavonoidwirkungen im menschlichen und tierischen Organismus 7 2.3.1 Antioxidative Eigenschaften 10 2.3.2 Wirkungen auf Enzyme und Transportproteine des Arzneistoffwechsels 12 2.4 Bioverfügbarkeit und Stoffwechsel des Flavonols Quercetin 13 2.4.1 Bioverfügbarkeit von Quercetin 13 2.4.2 Einfluss des Futters 15 2.4.3 Einfluss des Glycosylierungsmusters 16 2.4.4 Intestinale Absorption und Metabolismus 18 2.4.5 Einfluss der intestinalen Mikroflora 21 2.4.6 Bindung an Plasmaproteine 22 2.4.7 Gewebeverteilung 23 2.4.8 Exkretion 24 2.5 Zielsetzung 25 3 Tiere, Material und Methoden 26 3.1 Versuchstiere und Haltungsbedingungen 26 3.2 Verwendete Flavonole 27 3.3 Durchführung des Tierversuchs 28 3.3.1 Allgemeine Durchführung der Versuche 28 3.3.2 Bioverfügbarkeit von Quercetin und Rutin (je 30 mg/kg KM) 29 3.3.3 Absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin 30 3.3.4 Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Quercetinglycoside 31 3.4 Probenaufarbeitung 31 3.5 HPLC 33 3.5.1 Methodenvalidierung und -kalibrierung 34 3.5.2 Berechnung der pharmakokinetischen Parameter 40 3.5.3 Statistische Auswertung 41 4 Ergebnisse 42 4.1 Bioverfügbarkeit von Quercetin und Rutin (je 30 mg/kg KM) 42 4.1.1 Quercetin-Aglycon 42 4.1.2 Rutin 46 4.2 Absolute Bioverfügbarkeit Quercetin 48 4.3 Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Quercetinglycoside 52 4.3.1 Quercetin-Aglycon 53 4.3.2 Rutin 56 4.3.3 Isoquercitrin 57 5 Diskussion 62 5.1 Zielsetzung der Studie 62 5.2 Methodische Aspekte 62 5.2.1 Auswahl der Versuchstiere und Versuchsanordnung 62 5.2.2 Wahl der Testmahlzeit 63 5.2.3 Einfluss der Zeitpunkte für die Probennahme auf die Berechnung der Verfügbarkeit 64 5.2.4 Analysemethode 65 5.3 Plasmametaboliten von Quercetin 66 5.4 Absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin 69 5.5 Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Quercetinglycoside 70 5.5.1 Isoquercitrin 70 5.5.2 Rutin 71 5.6 Bezug der pharmakokinetischen Daten zu potentiellen In-vivo-Wirkungen 73 5.7 Schlussfolgerungen 75 6 Zusammenfassung 76 7 Summary 78 8 Literaturverzeichnis 80 9 Anhang 102 9.1 HPLC-Chemikaien 102 9.2 Validierung der HPLC-Methode 103 Danksagung 109 / 7 Summary Marianne Reinboth Bioavailability of the Flavonol Quercetin in Dogs Institute of Physiology of the Faculty of Veterinary Medicine, University of Leipzig Submitted in June 2010 79 pages, 20 figures, 6 tables, 211 references, 1 appendix Keywords: quercetin, bioavailability, dog, absolute bioavailability, isoquercitrin, rutin, flavonols The plant flavonol quercetin is supposed to exert multiple health-related effects in dogs. To date no information on its bioavailability in this particular species is avai-lable. This study intended to investigate bioavailability and pharmacokinetics of quercetin and certain quercetin glycosides in dogs after ingestion of a test meal sup-plemented with a quercetin dose equivalent to 10 mg/kg body weight. Nine adult beagle dogs of both sexes received the aglycon quercetin (sugarfree) or its glycosides isoquercitrin (quercetin-3-O-glucoside) and rutin (quercetin-3-O-glucorhamnoside) in equimolar amounts together with a test meal. Blood samples were taken over a period of up to 72 hours; bioavailability and pharmacokinetics were calculated from the HPLC-derived plasmaconcentration-time-curves. Absolute bioavailability was calculated by comparing an oral to an intravenous administration of quercetin. The majority of analysed plasma metabolites were glucuronidated and sulfated con-jugates of quercetin. Non-conjugated quercetin aglycon comprised only 20 %. Be-sides quercetin, its metabolites isorhamnetin and kaempferol made up less than 10 % of all circulating metabolites. The absolute bioavailability of quercetin was only 4 %. The relative bioavailability of quercetin from isoquercitrin was more than twice as high than from the aglycon, but even there maximal plasma concentrations were generally less than 1 μmol/l. Absorption from the small intestine was rather fast with a first plasma peak after 1 hour after ingestion of quercetin or isoquercitrin. A second, generally higher plasma peak occurred 4 hours after ingestion. This suggests an in-tensive enterohepatic recycling of biliary secreted metabolites. Absorption was significantly delayed after ingestion of rutin due to the necessity of bacterial deglycosilation in the large intestine. Plasma concentrations peaked only after 11 hours. Plasma concentrations after rutin were lower than after quercetin or isoquercitrin, but mean residence time of plasma metabolites was as long as 18 hours after rutin ingestion. Consequently, a once daily feeding of dogs with rutin might lead to relatively constant plasma metabolite concentrations. In contrast to other species, bioavailability from rutin was not smaller than that from quercetin. Although rutin seems to be a relative good quercetin source for dogs, estimations about potential in-vivo-effects of quercetin have to take into consideration its low bioavailabilty and intensive metabolism.:1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Funktionen von Flavonoiden in Pflanzen 3 2.2 Biosynthese und Struktur von Flavonoiden 4 2.3 Flavonoidwirkungen im menschlichen und tierischen Organismus 7 2.3.1 Antioxidative Eigenschaften 10 2.3.2 Wirkungen auf Enzyme und Transportproteine des Arzneistoffwechsels 12 2.4 Bioverfügbarkeit und Stoffwechsel des Flavonols Quercetin 13 2.4.1 Bioverfügbarkeit von Quercetin 13 2.4.2 Einfluss des Futters 15 2.4.3 Einfluss des Glycosylierungsmusters 16 2.4.4 Intestinale Absorption und Metabolismus 18 2.4.5 Einfluss der intestinalen Mikroflora 21 2.4.6 Bindung an Plasmaproteine 22 2.4.7 Gewebeverteilung 23 2.4.8 Exkretion 24 2.5 Zielsetzung 25 3 Tiere, Material und Methoden 26 3.1 Versuchstiere und Haltungsbedingungen 26 3.2 Verwendete Flavonole 27 3.3 Durchführung des Tierversuchs 28 3.3.1 Allgemeine Durchführung der Versuche 28 3.3.2 Bioverfügbarkeit von Quercetin und Rutin (je 30 mg/kg KM) 29 3.3.3 Absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin 30 3.3.4 Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Quercetinglycoside 31 3.4 Probenaufarbeitung 31 3.5 HPLC 33 3.5.1 Methodenvalidierung und -kalibrierung 34 3.5.2 Berechnung der pharmakokinetischen Parameter 40 3.5.3 Statistische Auswertung 41 4 Ergebnisse 42 4.1 Bioverfügbarkeit von Quercetin und Rutin (je 30 mg/kg KM) 42 4.1.1 Quercetin-Aglycon 42 4.1.2 Rutin 46 4.2 Absolute Bioverfügbarkeit Quercetin 48 4.3 Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Quercetinglycoside 52 4.3.1 Quercetin-Aglycon 53 4.3.2 Rutin 56 4.3.3 Isoquercitrin 57 5 Diskussion 62 5.1 Zielsetzung der Studie 62 5.2 Methodische Aspekte 62 5.2.1 Auswahl der Versuchstiere und Versuchsanordnung 62 5.2.2 Wahl der Testmahlzeit 63 5.2.3 Einfluss der Zeitpunkte für die Probennahme auf die Berechnung der Verfügbarkeit 64 5.2.4 Analysemethode 65 5.3 Plasmametaboliten von Quercetin 66 5.4 Absolute Bioverfügbarkeit von Quercetin 69 5.5 Relative Bioverfügbarkeit verschiedener Quercetinglycoside 70 5.5.1 Isoquercitrin 70 5.5.2 Rutin 71 5.6 Bezug der pharmakokinetischen Daten zu potentiellen In-vivo-Wirkungen 73 5.7 Schlussfolgerungen 75 6 Zusammenfassung 76 7 Summary 78 8 Literaturverzeichnis 80 9 Anhang 102 9.1 HPLC-Chemikaien 102 9.2 Validierung der HPLC-Methode 103 Danksagung 109

Over the past decades, awareness has increased of multiple health-promoting effects of diets rich in anthocyanins and proanthocyanidins and, specifically, of these compounds’ potential for conferring neuroprotection. The present study compiles evidence obtained in vitro that expands our understanding of anthocyanin and proanthocyanidin functionalities at multiple levels. Firstly, anthocyanin and anthocyanidin bioavailability was addressed using a combination of ATPase assays, dye extrusion assays and vesicular transport assays. This approach highlights the contribution made by efflux transporters MDR1 and BCRP to the absorption of berry polyphenols and to their distribution to target tissues including the central nervous system. All test compounds interacted with the BCRP transporter in vitro, seven emerged as potential BCRP substrates and 12 as potential inhibitors of BCRP. Two anthocyanidins, malvidin and petunidin, exhibited bimodal activities, serving as BCRP substrates at low micromolar concentrations and, at higher concentrations, as BCRP inhibitors. Effects on MDR1, in contrast, were weak, as only aglycones exerted mild inhibitory activity in the high micromolar range. Distinct affinities of several anthocyanins and the respective aglycones for BCRP suggest that they may be actively transported out of endothelia. Agents that interfere with BCRP activity are therefore likely to facilitate crossing of the intestinal and blood-brain barriers and to augment anthocyanin bioavailability. Secondly, novel modes of action were sought to rationalize berry polyphenols’ direct modulation of neuronal transmission as opposed to their non-specific antioxidant activities. The candidate effectors include cellular monoamine oxidases (MAO) A and B, hypoxia inducible factor (HIF), the proteasome, and phospholipase A2 (PLA2). Elevated MAO activity has long been implicated in the etiology of depression, anxiety and neurodegenerative illness. MAO inhibiting compounds may thus hold promise in the prevention of behavioral symptoms and cognitive decline. For both MAO isoforms, inhibitory effects of anthocyanins and anthocyanidins are illustrated by IC50 values in the low micromolar range whereas proanthocyanidins and phenolic metabolites were less effective inhibitors. Kinetic analyses, performed with cyanidin and cyanidin-3-glucoside, indicated a competitive interaction of cyanidin in terms of MAO A, plus a mixed competitive and non-competitive mode of interaction of cyanidin in terms of MAO B as well as of cyanidin-3-glucoside with respect to both enzyme isoforms. Thus MAO inhibition by anthocyanins and their aglycones in vitro lends support to central nervous functionalities of diets rich in berry polyphenols and opens new opportunities in the prevention of neuronal pathologies. Effects on HIF expression were examined to assess candidate compounds’ role in enhancing cellular resistance to oxidative stress. By inducing a dose-dependent increase in HIF expression, delphinidin may initiate a variety of cellular survival processes that are inhibited by free iron. This finding argues in favor of iron-chelating properties as a further means of mediating neuroprotection. Other inducers of HIF expression in neuroblastoma cells included gallic acid, cyanidin and bilberry extract, all of which may modulate HIF-dependent transcription of downstream genes. / Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurde die Vielzahl gesundheitsfördernder Effekte einer Anthocyan- und Proanthocyanidin-reichen Ernährung verstärkt wahrgenommen, insbesondere das Potenzial dieser Substanzen neuroprotektive Wirkungen zu erzielen. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit zusammengetragenen in vitro-Befunde belegen dies und erweitern unser Verständnis über die facettenreiche Funktionalität von Anthocyanen und Proanthocyanidinen. Zunächst wurde mit einer Kombination indirekter und direkter Transporter-Assays die Bioverfügbarkeit von Anthocyanen und Anthocyanidinen thematisiert. Dieser Ansatz betont, dass die Efflux-Transporter MDR1 und BCRP einen wichtigen Beitrag zur Absorption von polyphenolischen Beereninhaltsstoffen und zu deren anschließender Verteilung auf Zielgewebe, einschließlich des Zentralnervensystems, leisten können. Alle Testsubstanzen traten in vitro in Wechselwirkung mit dem BCRP-Transporter, wobei sich sieben als potenzielle BCRP-Substrate und 12 als potenzielle Inhibitoren herausstellten. Zwei Anthocyanidine, Malvidin und Petunidin, zeigten bimodale Aktivitäten, indem sie in niedrigen mikromolaren Konzentrationen als BCRP-Substrate dienten und in höheren Konzentrationen als Hemmstoffe. Im Gegensatz dazu waren die Effekte auf den MDR1-Transporter nur gering, wobei lediglich die Aglykone nur schwache hemmende Wirkungen im höheren mikromolaren Konzentrationsbereich zeigten. Die ausgeprägten Affinitäten einiger Anthocyane und Aglykone zum BCRP-Transporter legen nahe, dass diese Verbindungen aktiv aus Endothelien transportiert werden. Somit könnten Substanzen, die mit BCRP wechselwirken aller Voraussicht nach den Transport von Anthocyanen und Anthocyanidinen über die Blut-Hirn-Schranke und die gastrointestinale Barriere begünstigen und somit deren Bioverfügbarkeit steigern. Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Suche nach neuen Wirkmechanismen, die sich für eine direkte Modulation der neuronalen Signalübertragung durch polyphenolische Beereninhaltsstoffe eignen, im Gegensatz zu bereits bekannten nicht-spezifischen antioxidativen Aktivitäten. Als mögliche Effektoren kommen hier die Monoaminoxidasen (MAO) A und B, der Hypoxie-induzierbare Faktor (HIF), das Proteasom und die Phospholipase A2 (PLA2) in Betracht. Einer erhöhten Monoaminoxidase-Aktivität wird schon seit langem eine Rolle in der Ätiologie depressiver, Angst- und neurodegenerativer Erkrankungen zugeschrieben. Somit könnten Monoaminoxidase-hemmende Stoffe vielversprechende präventive Wirkungen auf krankheitsbedingte Verhaltenssymptome und kognitive Abbauprozesse ausüben. Für beide MAO-Isoformen zeigten Anthocyane und Anthocyanidine hemmende Wirkungen im niedrigen mikromolaren Bereich, wohingegen sich Proanthocyanidine und phenolische Metabolite als weniger effektive Inhibitoren herausstellten. Mit Cyanidin und Cyanidin-3-glucosid durchgeführte Untersuchungen zur Enzymkinetik gaben Hinweise auf kompetitive Wechselwirkungen von Cyanidin bezüglich MAO A. Gemischt kompetitive und nicht-kompetitive Wechselwirkungen wurden für Cyanidin bezüglich MAO B, sowie für Cyanidin-3-glucosid hinsichtlich beider Isoenzme ermittelt. Somit befürworten diese MAO-hemmenden Eigenschaften von Anthocyanen und deren Aglykonen eine Ernährung, die reich an polyphenolischen Beereninhaltsstoffen ist, und eröffnen neue Möglichkeiten bei der Prävention neuronaler Erkrankungen. Zur Beurteilung einer Wirkung von Beereninhaltsstoffen im Hinblick auf die Steigerung der zellulären Widerstandsfähigkeit gegenüber oxidativem Stress wurden ferner Effekte der Testsubstanzen auf die HIF-Expression untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Delphinidin aufgrund konzentrationsabhängiger Erhöhung der HIF-Expression eine Reihe zellulärer Überlebensprozesse einleiten könnte, die durch freies Eisen gehemmt werden. Auf diese Weise könnten Anthocyane durch ihre Eisen-chelierenden Fähigkeiten Neuroprotektion vermitteln. Gallussäure, Cyanidin und Heidelbeerextrakt bewirkten ebenfalls eine Induktion der HIF-Expression in Neuroblastom-Zellen und gelten somit als weitere Kandidaten, welche die HIF-abhängige Transkription nachgeschalteter Gene modulieren könnten.

Einleitung Melancholische Phase und Depression haben viele Ursachen. Neurotransmitter wie Serotonin, Hormone (Schwangerschaft), Spurenelemente wie Zink, oder unterschwellige Entzündungen (silent inflammation) spielen eine Rolle in der Pathogenese. Es gibt Hinweise für die Rolle des Spurenelementes Selen, insgesamt ist aber wenig darüber bekannt, ob Selen bei Stimmungsstörungen oder depressiven Phasen wirken könnte. Die untersuchte Multivitamin- und Spurenelement-Mischung Lavita® enthält unter anderem das Spurenelement Selen gebunden in organischer Matrix. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Befunde zur Selen-Wirkung bei klinisch relevanten depressiven Zustandsbildern systematisch zu recherchieren, und in Verbindung mit einer Feld-Studie das Wirkpotential von Selen in der der Prüfsubstanz zu beschreiben. Methode Der Studie ging eine ausführliche Literaturrecherche in medizin-wissenschaftlichen Datenbanken voran. Das Studiendesign wurde von der Internationalen Gesellschaft für Präventionsmedizin e.V. (Augsburg, Deutschland) und der Studien-Supportfirma SCIgenia (Wien, Österreich) entwickelt. Gemäß Ein- und Ausschlusskriterien wurden 30 gesunde Probanden rekrutiert. Vor der ersten Einnahme wurden Basis-Blutwerte abgenommen, eine weitere Blut-Abnahme erfolgte nach drei Monaten, die Studienabschlussvisite mit der 3. Blutabnahme fand nach insgesamt sechs Monaten regelmäßiger Einnahme der Prüfsubstanz statt. Die Blut-Labor-Messungen für Selen und den Entzündungsparameter hsCRP wurden für die drei Zeitpunkte statistisch verglichen. Ergebnis Die Literaturrecherche erbrachte zwei Wirkmechanismen, aufgrund derer Selen als Antioxidans und/oder essentieller Ko-Faktor von Enzymen im Serotoninstoffwechsel eine Rolle in der Behandlung depressiver Verstimmungen spielen kann. Bei der eigenen Studie beendeten von den 30 rekrutierten gesunden Teilnehmern 29 die Studie protokollgemäß. Die ermittelten Basis-Werte für den hsCRP-Inflammationsmarker waren niedrig und zeigten nach 6 Monaten der Einnahme eine Tendenz weiter abzufallen. Die Basiswerte für Selen lagen zu Studienbeginn mehrheitlich unter dem empfohlenen Referenzbereich. Die Basis-Selenwerte besserten sich bereits nach drei Monaten regelmäßiger Einnahme signifikant (p < 0,048). Besonders die intrazellulären Selenwerte wurden verhältnismäßig rasch und nachhaltig erhöht. Schlussfolgerungen Das Prüfpräparat weist eine gute Selen-Bioverfügbarkeit auf. Die regelmäßige Einnahme des Prüfpräparates bewirkte den Ausgleich niedriger Selenwerte zu Studienbeginn, und bewirkte die Tendenz zur Abnahme der ohnehin geringen Entzündungsparameter in gesunden Probanden. Beides, die beobachtete Selenzunahme aber auch die anti-inflammatorischen Wirkungen könnten die Stimmungslage positiv beeinflussen.

Most medicines are taken orally. To enter the systemic circulation, they dissolve in the intestinal fluid, cross the epithelial barrier, and pass through the liver. Intestinal absorption is driven by the unique features of the gastrointestinal tract, including the bile colloids formed in the lumen and the mucus layer covering the intestinal epithelium. Neglecting this multifaceted environment can lead to poor drug development decisions, especially for poorly water-soluble drugs that interact with bile and mucus. However, there is a lack of a rationale nexus of molecular interactions between oral medicines and gastrointestinal components with drug bioavailability. Against this background, this thesis aims to develop biopharmaceutical strategies to optimize the presentation of oral therapeutics to the intestinal epithelial barrier. In Chapter 1, the dynamics of bile colloids upon solubilization of the poorly-water soluble drug Perphenazine was studied. Perphenazine impacted molecular arrangement, structure, binding thermodynamics, and induced a morphological transition from vesicles to worm-like micelles. Despite these dynamics, the bile colloids ensured stable relative amounts of free drug substance. The chapter was published in Langmuir. Chapter 2 examined the impact of pharmaceutical polymeric excipients on bile-mediated drug solubilization. Perphenazine and Imatinib were introduced as model compounds interacting with bile, whereas Metoprolol did not. Some polymers altered the arrangement and geometry of bile colloids, thereby affecting the molecularly soluble amount of those drugs interacting with bile. These insights into the bile-drug-excipient interplay provide a blueprint to optimizing formulations leveraging bile solubilization. The chapter was published in Journal of Controlled Release. Chapter 3 deals with the impact of bile on porcine intestinal mucus. Mucus exposed to bile solution changed transiently, it stiffened, and the overall diffusion rate increased. The bile-induced changes eased the transport of the bile-interacting drug substance Fluphenazine, whereas Metoprolol was unaffected. This dichotomous pattern was linked to bioavailability in rats and generalized based on two previously published data sets. The outcomes point to a bile-mucus interaction relevant to drug delivery. The chapter is submitted. The Appendix provides a guide for biopharmaceutical characterization of drug substances by nuclear magnetic resonance spectroscopy aiming at establishing a predictive algorithm. In summary, this thesis deciphers bile-driven mechanisms shaping intestinal drug absorption. Based on these molecular insights, pharmaceuticals can be developed along a biopharmaceutical optimization, ultimately leading to better oral drugs of tomorrow. / Die meisten Arzneimittel werden oral eingenommen. Um in den Blutkreislauf zu gelangen, liegen sie in der Darmflüssigkeit gelöst vor, überwinden die Epithelbarriere und passieren die Leber. Die intestinale Absorption wird durch die einzigartigen Eigenschaften des Magen-Darm-Trakts, einschließlich der im Lumen gebildeten Gallenkolloide und der Schleimschicht, die das Darmepithel bedeckt, bestimmt. Die Vernachlässigung dieser facettenreichen Umgebung kann zu schlechten Entscheidungen bei der Arzneimittelentwicklung führen, insbesondere bei schlecht wasserlöslich Wirkstoffen, die mit Galle und Schleim interagieren. Es fehlt jedoch eine rationale Verknüpfung der molekularen Wechselwirkungen zwischen oralen Arzneimitteln und gastrointestinalen Komponenten mit der Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln. Vor diesem Hintergrund zielt diese Arbeit darauf ab, biopharmazeutische Strategien zur Optimierung der Präsentation von oralen Therapeutika an der intestinalen Epithelbarriere zu entwickeln. In Kapitel 1 wurde die Dynamik von Gallenkolloiden bei der Solubilisierung des schwer wasserlöslichen Wirkstoffes Perphenazin untersucht. Perphenazin beeinflusste die molekulare Anordnung, die Struktur sowie die Bindungsthermodynamik und führte zu einem morphologischen Übergang von Vesikeln hin zu wurmartigen Mizellen. Trotz dieser Dynamik sorgten die Gallenkolloide für stabile relative Mengen an freiem Arzneistoff. Dieses Kapitel wurde in Langmuir veröffentlicht. In Kapitel 2 wurde der Einfluss von pharmazeutischen polymeren Hilfsstoffen auf die Solubilisierung von Wirkstoffen durch Galle untersucht. Perphenazin und Imatinib wurden als Modellverbindungen eingeführt, die mit der Galle interagieren, während Metoprolol dies nicht tat. Einige Polymere veränderten die Anordnung und Geometrie der Gallenkolloide und beeinflussten somit die molekular lösliche Menge von solchen Wirkstoffen, die mit der Galle wechselwirken. Diese Einblicke in das Zusammenspiel von Galle und Arzneistoffen bieten einen Ansatz zur Optimierung von Formulierungen, die die Solubilisierung in der Galle nutzen. Dieses Kapitel wurde in Journal of Controlled Release veröffentlicht. Kapitel 3 befasst sich mit den Auswirkungen von Galle auf den Dünndarmschleim von Schweinen. Schleim, der Gallenlösung ausgesetzt war, veränderte sich vorübergehend, versteifte sich und die Gesamtdiffusionsrate nahm zu. Die durch die Galle hervorgerufenen Veränderungen erleichterten den Transport des mit der Galle interagierenden Wirkstoffs Fluphenazin, während Metoprolol unbeeinflusst blieb. Dieses dichotome Muster konnte mit der Bioverfügbarkeit bei Ratten verknüpft werden und durch zwei zuvor veröffentlichte Datensätze mit insgesamt 50 Verbindungen verallgemeinert werden. Die Ergebnisse deuten auf eine Wechselwirkung zwischen Galle und Schleim hin, die für die Verabreichung von Medikamenten relevant ist. Dieses Kapitel ist eingereicht. Der Anhang bietet einen Leitfaden für die biopharmazeutische Charakterisierung von Arzneimittelsubstanzen durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie mit dem Ziel des Aufstellens von prädiktiven Algorithmen. Zusammenfassend entschlüsselt diese Arbeit die von der Galle gesteuerten Mechanismen, die die Aufnahme von Arzneimitteln im Darm beeinflussen. Auf der Grundlage dieser molekularen Erkenntnisse können Arzneimittel entlang einer biopharmazeutischen Optimierung entwickelt werden, was letztendlich zu besseren oralen Arzneimitteln führt.

Proteingebundene Maillard-Reaktionsprodukte (MRP) und Crosslink-Aminosäuren (CLAS) werden mit der Nahrung täglich in nicht unerheblichen Mengen aufgenommen. In Humanstudien wurde gezeigt, dass einzelne dieser Produkte resorbiert werden. Die Beteiligung einzelner MRP und CLAS an pathophysiologischen Prozessen wird diskutiert. Im ersten Teil der Arbeit wurden MRP (Fructoselysin, Lactuloselysin, CML, CEL, Pyrralin, MG-H1, Pentosidin) und CLAS (LAL, Glutamyllysin) in Casein angereichert und die Caseine einer simulierten gastrointestinalen Verdauung unterzogen. Mit der posttranslationalen Modifizierung ging eine Verschlechterung der Verdaubarkeit einher. Dies zeigte sich daran, dass während der Verdauung bei zunehmendem Modifizierungsgrad Peptide mit Molmassen > 1000 Da schlechter abgebaut wurden und somit die Bildung von Peptiden < 1000 Da abnahm. Die Verschlechterung der Verdaubarkeit ließ sich vor allem auf die Quervernetzung der Caseine, weniger auf die Modifizierung von Aminosäuren zurückführen. Zudem wurde die Freisetzbarkeit einzelner Aminosäuren durch posttranslationale Modifizierung gesenkt. Dies konnte praktisch ausschließlich auf die Modifizierung von Lysinresten, nicht auf die Quervernetzung, zurückgeführt werden. Vor allem Aminosäuren, die im Casein in der Nähe von Lysinresten überrepräsentiert sind, wurden mit zunehmender Modifizierung schlechter freigesetzt. Die modifizierten Aminosäuren selbst wiesen ein sehr differenziertes Freisetzungsmuster auf. Amadori-Produkte wurden sehr gut freigesetzt, quervernetzende Aminosäuren dagegen nur zu einem geringen Anteil. Als Referenzsubstanzen für chromatographische Messungen und als Testsubstanzen für Inhibitions- und Transportexperimente wurden im zweiten Teil der Arbeit insgesamt 19 freie MRP (Fructoselysin, Lactuloselysin, Tagatoselysin, Ribuloselysin, Carboxymethyllysin, Carboxyethyllysin, Pyrralin, Formylin, Maltosin, MG-H1, 3-DG-H, PIO, Argpyrimidin, Pentosidin) und CLAS (Lysinoalanin, π- und τ-Histidinoalanin, Ornithinoalanin, Lanthionin) in hohen Ausbeuten synthetisiert und charakterisiert. Zwölf der Produkte (Fructoselysin, Carboxymethyllysin, Carboxyethyllysin, Pyrralin, Formylin, Maltosin, MG-H1, Argpyrimidin, Lysinoalanin, π- und τ-Histidino¬alanin und N-ε-(γ-Glutamyl)-Lysin) wurden erstmals auch Dipeptidderivate (Ala-Xaa bzw. Xaa-Ala) synthetisiert und charakterisiert. Mithilfe von Kompetitionsexperimenten an Caco-2-Zellen konnte gezeigt werden, dass freie MRP und CLAS die Aufnahme von L-[3H]Lysin kaum hemmten und somit nicht mit Transportsystemen für basische Aminosäuren wechselwirken können. Der überwiegende Teil der dipeptidgebundenen Derivate hemmte jedoch in konzentrationsabhängiger Weise den Transport von [14C]Gly-Sar . Diese Dipeptide stellen somit z.T. hoch affine Inhibitoren des Peptidtransporters dar. Die Affinität zum Transporter ist stark sequenzabhängig. Caco-2-Zellen, die als Monolayer wachsen, wurden auf porösen Polycarbonatmembranen kultiviert und zu Transportstudien eingesetzt. Keines der freien MRP und CLAS wurde aktiv über den Monolayer transportiert. Wurden die Derivate dagegen dipeptidgebunden eingesetzt, stieg, außer bei fructosylierten Peptiden, der transepitheliale Transport stark an. Allerdings wurden die Peptide meist nicht intakt transportiert, sondern intrazellulär gespalten und die freien Aminosäuren basolateral abgegeben. Zum Teil reicherten sich die modifizierten Aminosäuren, besonders die hydrophilen, intrazellulär an. Hydrophobe Aminosäuren (Pyrralin, Formylin, Maltosin, Argpyrimidin) konnten die Zelle dagegen schnell verlassen. Diese Aminosäuren sollten daher auch in vivo effektiv resorbiert werden. In Kompetitionsexperimenten an OK-Zellen zeigte sich, dass modifizierte Aminosäuren auch an Nierenzellen nicht mit Transportsystemen für Lysin wechselwirken. Keine der freien Aminosäuren wurde aktiv über den OK-Zellmonolayer transportiert. Somit ist nicht von einer renalen Reabsorption der untersuchten MRP und CLAS auszugehen.

Proteingebundene Maillard-Reaktionsprodukte (MRP) und Crosslink-Aminosäuren (CLAS) werden mit der Nahrung täglich in nicht unerheblichen Mengen aufgenommen. In Humanstudien wurde gezeigt, dass einzelne dieser Produkte resorbiert werden. Die Beteiligung einzelner MRP und CLAS an pathophysiologischen Prozessen wird diskutiert. Im ersten Teil der Arbeit wurden MRP (Fructoselysin, Lactuloselysin, CML, CEL, Pyrralin, MG-H1, Pentosidin) und CLAS (LAL, Glutamyllysin) in Casein angereichert und die Caseine einer simulierten gastrointestinalen Verdauung unterzogen. Mit der posttranslationalen Modifizierung ging eine Verschlechterung der Verdaubarkeit einher. Dies zeigte sich daran, dass während der Verdauung bei zunehmendem Modifizierungsgrad Peptide mit Molmassen > 1000 Da schlechter abgebaut wurden und somit die Bildung von Peptiden < 1000 Da abnahm. Die Verschlechterung der Verdaubarkeit ließ sich vor allem auf die Quervernetzung der Caseine, weniger auf die Modifizierung von Aminosäuren zurückführen. Zudem wurde die Freisetzbarkeit einzelner Aminosäuren durch posttranslationale Modifizierung gesenkt. Dies konnte praktisch ausschließlich auf die Modifizierung von Lysinresten, nicht auf die Quervernetzung, zurückgeführt werden. Vor allem Aminosäuren, die im Casein in der Nähe von Lysinresten überrepräsentiert sind, wurden mit zunehmender Modifizierung schlechter freigesetzt. Die modifizierten Aminosäuren selbst wiesen ein sehr differenziertes Freisetzungsmuster auf. Amadori-Produkte wurden sehr gut freigesetzt, quervernetzende Aminosäuren dagegen nur zu einem geringen Anteil. Als Referenzsubstanzen für chromatographische Messungen und als Testsubstanzen für Inhibitions- und Transportexperimente wurden im zweiten Teil der Arbeit insgesamt 19 freie MRP (Fructoselysin, Lactuloselysin, Tagatoselysin, Ribuloselysin, Carboxymethyllysin, Carboxyethyllysin, Pyrralin, Formylin, Maltosin, MG-H1, 3-DG-H, PIO, Argpyrimidin, Pentosidin) und CLAS (Lysinoalanin, π- und τ-Histidinoalanin, Ornithinoalanin, Lanthionin) in hohen Ausbeuten synthetisiert und charakterisiert. Zwölf der Produkte (Fructoselysin, Carboxymethyllysin, Carboxyethyllysin, Pyrralin, Formylin, Maltosin, MG-H1, Argpyrimidin, Lysinoalanin, π- und τ-Histidino¬alanin und N-ε-(γ-Glutamyl)-Lysin) wurden erstmals auch Dipeptidderivate (Ala-Xaa bzw. Xaa-Ala) synthetisiert und charakterisiert. Mithilfe von Kompetitionsexperimenten an Caco-2-Zellen konnte gezeigt werden, dass freie MRP und CLAS die Aufnahme von L-[3H]Lysin kaum hemmten und somit nicht mit Transportsystemen für basische Aminosäuren wechselwirken können. Der überwiegende Teil der dipeptidgebundenen Derivate hemmte jedoch in konzentrationsabhängiger Weise den Transport von [14C]Gly-Sar . Diese Dipeptide stellen somit z.T. hoch affine Inhibitoren des Peptidtransporters dar. Die Affinität zum Transporter ist stark sequenzabhängig. Caco-2-Zellen, die als Monolayer wachsen, wurden auf porösen Polycarbonatmembranen kultiviert und zu Transportstudien eingesetzt. Keines der freien MRP und CLAS wurde aktiv über den Monolayer transportiert. Wurden die Derivate dagegen dipeptidgebunden eingesetzt, stieg, außer bei fructosylierten Peptiden, der transepitheliale Transport stark an. Allerdings wurden die Peptide meist nicht intakt transportiert, sondern intrazellulär gespalten und die freien Aminosäuren basolateral abgegeben. Zum Teil reicherten sich die modifizierten Aminosäuren, besonders die hydrophilen, intrazellulär an. Hydrophobe Aminosäuren (Pyrralin, Formylin, Maltosin, Argpyrimidin) konnten die Zelle dagegen schnell verlassen. Diese Aminosäuren sollten daher auch in vivo effektiv resorbiert werden. In Kompetitionsexperimenten an OK-Zellen zeigte sich, dass modifizierte Aminosäuren auch an Nierenzellen nicht mit Transportsystemen für Lysin wechselwirken. Keine der freien Aminosäuren wurde aktiv über den OK-Zellmonolayer transportiert. Somit ist nicht von einer renalen Reabsorption der untersuchten MRP und CLAS auszugehen.

In den letzten Jahren erfuhr Thalidomid auf Grund seiner antiinflammatorischen, immunmodulatorischen und antiangiogenetischen Eigenschaften eine "Renaissance". Bei ophthalmologischen Erkrankungen, die durch Gefäßproliferation gekennzeichnet sind, wie bei der diabetischen Retinopathie und der altersbedingten Makuladegeneration (33) oder bei immunpathologische Erkrankungen wie die Uveitis (44) liegen Berichte zu günstigen Effekten vor. Aufgrund der erheblichen Nebenwirkungen bei der systemischen Verabreichung wurde der Versuch einer topischen Applikation angestrebt. Dieser Applikationsweg ist limitiert durch die schlechte Wasserlöslichkeit und hydrolytische Instabilität bei der Formulierung von wässrigen Augentropfen. Zur Erhöhung der intraokularen Bioverfügbarkeit von Thalidomid wurden Cyclodextrine, speziell HP-ß-CD, als Vehikel zur Verbesserung der physiko-chemischen Eigenschaften verwendet. Die experimentelle Arbeit wurde an 21 pigmentierten Kaninchen durchgeführt, die mit Thalidomid-HP-ß-CD haltigen Augentropfen oder mit einer Thalidomidsuspension behandelt wurden. Nach einer Einwirkungszeit von 30, 60, oder 240 Minuten wurden die Augen enukleiert, präpariert und eingefroren. Anschließend wurde mittels HPLC die jeweilige Thalidomid-Konzentration ermittelt. Unsere Arbeit hat signifikante (p / Background: Thalidomide, which has been rediscovered as an angiogenic, immunmodulatory and anti-inflammatory agent might be a treatment option for several eye diseases. The systemic application causes severe side effects. The water-insolubility and hydrolytic instability of thalidomide limits its ocular bioavailability during local application. Hydroxypropyl-ß-cyclodextrin (HP-ß-CD) is a cyclodextrin derivative, which has the ability to form inclusion complexes with lipophilic drugs increasing their stability and solubility. Methods: 21 pigmented male rabbits were treated with 5x50 mul 0,04 % thalidomide/12,5% HP-ß-CD (THA-CD) or 0,04 % thalidomide suspension (THA-SP). 30, 60 or 240 minutes post instillation the animals were sacrificed and the eyes were enucleated. The thalidomide concentrations where determined using HPLC. Results: A significant (p

Die Dissertation beschreibt Arbeiten zur Herstellung neuer Cetrorelixkomplexe, zur Kinetik der dynamischen Liberation, zur Struktur von Aggregaten und Komplexen von Cetrorelix und zur Berechnung von Komplexeigenschaften mit Molecular Modeling. / Presented are results about new complexes of cetrorelix, the kinetics of dynamical liberations, the structure of Cetrorelix aggregates and complexes and the computation of properties of complexes by molecular modeling.

Die Dissertation beschreibt Arbeiten zur Herstellung neuer Cetrorelixkomplexe, zur Kinetik der dynamischen Liberation, zur Struktur von Aggregaten und Komplexen von Cetrorelix und zur Berechnung von Komplexeigenschaften mit Molecular Modeling. / Presented are results about new complexes of cetrorelix, the kinetics of dynamical liberations, the structure of Cetrorelix aggregates and complexes and the computation of properties of complexes by molecular modeling.

Die Hautsensibilisierung (Typ 4 Hautallergie) nimmt in der Toxizitätsbewertung einen wichtigen Stellenwert ein, was u.a. daran zu sehen ist, dass sie unter dem europäischen Chemikaliengesetz REACH schon sehr früh, d.h. ab einer Jahrestonne, abgeprüft werden soll. Die Dissertation untersucht, ob die derzeit im Tierversuch stattfindende Toxizitätsprüfung durch computerchemische Methoden ersetzt werden kann. Dazu wurde eine Datenbank aus über 2000 Stoffen erstellt, aus der wichtige Unterschiede zwischen den eingesetzten Tiermodellen herausgelesen werden konnten. In den Untersuchungen trat auch zu Tage, dass – entgegen vorheriger Annahmen – die Bioverfügbarkeit, d.h. die Aufnahme von Substanzen über die Haut, im Tierversuch nur eine untergeordnete Rolle spielt. Zudem ist eine Abschätzung des hautsensibilisierenden Effekts von Stoffen anhand eines Read-across (Interpolation aus strukturähnlichen Verbindungen) und von Strukturalarmen (Substruktur­elemente als Indikatoren für einen bestimmten Effekt) möglich. Wenn beide Ansätze im Rahmen einer Konsens­modellierung miteinander verschränkt werden, ergibt sich sogar eine gute Vorhersagestatistik. / Skin sensitisation (type 4 skin allergy) is an important parameter in the toxicity assessment of chemicals, which is underlined by the fact that it is evaluated even at the lowest tonnage (1 t/a), which can be registered under the european chemicals regulation (REACH). In this thesis it was investigated if the currently used animal models can be replace or refined with computational (in silico toxicological) methods. In this regard a data base consisting of about 2000 substances was build. With its data important differences between the currently applied animal tests could be derived. Furthermore, the investigation found that – in contrast to previous assumptions – the bioavailability of a chemical compound, i.e. the uptake via the skin, has only a minor impact on the test result of the evaluated animal models. Moreover, it was demonstated that the skin sensitising potential of chemicals can be predicted by read-across (interpolation with structurally similar substances) and with structural alerts (substructural elements which indicate a particular effect). Combining both prediction methods with consensus modelling lead to a good prediction regarding the question whether a particular chemical compound is a sensitiser or not.