Das Glioblastom ist der häufigste primäre maligne Hirntomor. Es zeichnet sich durch ein besonders aggessives und invasives Wachstumsverhalten aus. So konnte bis heute trotz moderner Diagnostik und Entwicklung neuer Behandlungsstrategien bestehend aus Operation, Radiatio und Chemotherapie mit Temozolamid die mittlere Überlebenszeit von 14.6 Monaten nicht überschritten werden. Matrixmetalloproteinasen sind zinkabhängige Endopeptidasen, die in der Lage sind die Extrazellulärmatrix zu degradieren, die Basalmembran zu durchbrechen, und somit Migration, Invasion, und Neovaskularisierung von Tumoren zu erleichtern. In zahlreichen Tumoren, so auch im Glioblastom, konnte eine Überexpression von MMPs, besonders von MMP2 und MMP9, nachgewiesen werden. Verschiedene Substanzen sind in der Lage, auf unterschiedlichen Ebenen die MMP-Synthese zu hemmen. Vor allem Doxycyclin, ein Antibiotikum aus der Gruppe der Tetracycline, sowie COL-3, ein chemisch modifiziertes Tetracyclinderivat, wurden an vielen Tumorentitäten in präklinischen und klinischen Studien erfolgreich eingesetzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden 2 Antibiotika, Doxycyclin und Cefotaxim, auf ihre Wirkung auf 4 Gliomzelllinien, C6, U251, U373 und GaMG, sowie 4 Primärzellen, 2406, 2418, 2421 und 2464, untersucht. Sowohl Doxycyclin, als auch Cefotaxim hemmen teilweise die Expression von MMP2 und MMP9, was durch eine semiquantitative PCR nachgewiesen wurde; die Expression von TIMP1 bleibt weitgehend unverändert. Auch auf Proteinebene konnte mittels Immunhistochemie ein Rückgang von MMP2 und MMP9 bei den meisten Zelllinien und Primärzellen unter Behandlung mit den Antibiotika beobachtet werden. Außerdem konnten Veränderungen im Wachstunsverhalten der Zellen in der Zellkultur verzeichnet werden, wahrscheinlich durch Inhibition der MMPs bedingt. Bei allen Zelllinien und allen Primärzellen wurde eine Abnahme der Proliferation im MTT-Assay, eine Zunahme der Adhäsion im Amidoblackassay, eine Abnahme der Migration im Migrationsassay, und eine Abnahme der Invasion im 3-D-Kollagengel-Assay beobachtet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigten die Resultate anderer Arbeitsgruppen mit Doxycyclin an anderen Tumoren, wie dem Prostata-Ca. Der deutliche Einfluss des Doxycyclins auf grundlegende Zelleigenschaften, wie z.B. dem Migrations-, Proliferations- und Invasionsverhalten, erfordert einen kritischen Umgang mit dem Tet-On/Off Systems zur Genregulation, insbesondere dann, wenn funktionelle Untersuchungen Teil der Versuchszielsetzung sind. / The glioblastoma multiforme ist the most common primary malignant brain tumor. It is characterized by a very aggressive and invasive growth. Despite modern diagnostic modalities and the development of new treatment strategies including operation, radiation and chemotherapy with temozolamide, the median survival did not exceed 14,6 months. Matrixmetalloproteinases are zinc-dependent endopeptidases capable of degrading the extracellular matrix, penetrating the basement membrane, and so facilitating migration, invasion and neovascularisation of tumors. In numerous tumors, as well as in glioblastomas, an overexpression of MMPs, especially of MMP2 and MMP9, was demonstrated. Different detergents are able to inhibit the synthesis of MMPs. Doxycycline, a tetracyclic anticiotic, and COL-3, a non-antimicrobial, chemically modified tetracycline, were successfully examined in many tumor entities in preclinical and clinical studies. In this study we investigated the effect of two antibiotics, doxycycline and cefotaxime, on four glioblastoma celllines (C6, U251, U373, GaMG) and four primary cultures (2406, 2418, 2421, 2464). Both, doxycycline and cefotaxime, partially blocked the expression of MMP2 and MMP9, shown by semiquantitative PCR, expression of TIMP1 was unchanged. In immunhistochemistry lower expression levels of MMP2- and MMP9-protein were displayed by treated cells. Furthermore changes in cell growth characteristics in cell culture were detected, probably caused by inhibition of MMPs. In all cell lines and primary cultures the proliferative activity of treated cells was decreased, shown in MTT-Assay. Adhesion of treated cells was increased, and 3-D-invasion and migration were reduced. The results of this study support similar data in other tumor entities and warrant further investigation of the clinical potential of CMT in patients with gliomatous disease. The remarkable influence of doxycycline on cell characteristics, like migration, proliferation and invasion, requires a critical handling with the tet-on/off-system for gene regulation, especially when functional investigation is part of the trial.

Die Inzidenz invasiver H. influenzae-Infektionen in Deutschland steigt seit Jahren an. Die akkurate Identifizierung und Resistenztestung dieses Erregers sind von großer klinischer und epidemiologischer Bedeutung. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit umfangreiche Untersuchungen zur Diagnostik und zur Epidemiologie von Antibiotikaresistenzen bei H. influenzae durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die in der Routinediagnostik mittlerweile weit verbreitete MALDI-TOF-MS-Diagnostik durch das VITEK MS IVD nur eingeschränkt zur sicheren Unterscheidung von H. influenzae und H. haemolyticus einsetzbar ist. H. influenzae-Isolate erkannte das System mit einer Genauigkeit von 100 %. Bei H. haemolyticus-Isolaten wurden dagegen 42 % der untersuchten Stämme fälschlicherweise als H. influenzae erkannt. Dieser Fragestellung wurde mit der bisher umfangreichsten molekularbiologisch charakterisierten Studienpopulation beider Bakterienspezies nachgegangen. Die kalkulierte antibiotische Therapie einer Sepsis oder Meningitis erfolgt häufig mit Carbapenemen, die leitliniengerechte Therapie invasiver H. influenzae-Infektionen mit Drittgenerations-Cephalosporinen. Imipenem und Cefotaxim gehören zu den Hauptvertretern dieser Gruppen. Bezüglich der Antibiotikaresistenztestung wurde erstmalig für H. influenzae herausgefunden, dass die routinemäßig verwendete Gradientenagardiffusion (GAD) bei der Testung von Cefotaxim im Vergleich zum Goldstandard Bouillon-Mikrodilution gleichwertig und bei Imipenem sogar sensitiver in der Detektion von Heteroresistenzen ist. Die Epidemiologie dieser Resistenzen wurde in dieser Arbeit erstmalig für Deutschland systematisch erfasst, indem alle verfügbaren invasiven Isolate gemeldeter H. influenzae-Infektionen der Jahre 2016 (Imipenem) beziehungsweise 2016-2019 (Cefotaxim) untersucht wurden. Es wurde eine hohe Prävalenz einer Imipenem-Resistenz von 13,5 % festgestellt. Die Prävalenz einer Cefotaxim-Resistenz lag bei 0,9 %. Zur molekularen Typisierung wurde bei den Imipenem-resistenten Isolaten eine Multilocus-Sequenztypisierung, bei den Cefotaxim-resistenten Stämmen eine Sequenzierung des vollständigen Genoms durchgeführt. Hierbei wurde eine hohe genetische Diversität der Stämme festgestellt, was die Schlussfolgerung zulässt, dass resistente Mutanten sporadisch entstehen. Die Untersuchung möglicher spatio-temporaler Cluster führte zum Nachweis einer sehr selten vorkommenden Übertragung eines Imipenem-resistenten Stamms. Durch die Sequenzierung von Resistenzgenen wurde die Epidemiologie und Relevanz bekannter Aminosäuresubstitutionen beleuchtet. Unter anderem wurde für die PBP3-Substitutionen L389F und Y557H eine hochsignifikante Korrelation mit dem Auftreten von Cefotaxim-Resistenzen nachgewiesen. Die gewonnenen Genomdaten bieten die Grundlage für die Forschung an weiteren Antibiotikaresistenzdeterminanten von H. influenzae. / Haemophilus influenzae is a fastidious, facultative anaerobic, Gram-negative bacillus that colonizes the respiratory tract and can cause respiratory and invasive infection such as meningitis and sepsis. Invasive H. influenzae infections are potentially life-threatening and incidence rates have been increasing for years. Therefore, fast and accurate diagnostics, reliable testing of antibiotic resistance and a successful antibiotic treatment is of great importance. Therefore, the objective of the first part of this thesis was to evaluate the diagnostic and discriminative potential of the MALDI-TOF-MS system VITEK® MS regarding H. influenzae and H. haemolyticus. H. influenzae can cause invasive infections, whereas H. haemolyticus is mostly apathogenic. The system showed excellent accuracy for the identification of H. influenzae isolates, as 100 % of the 236 isolates were correctly identified. When testing 50 H. haemolyticus strains, however, the system showed significant limitations, since 42 % of these strains were misidentified as H. influenzae. According to the current German guidelines for the treatment of sepsis and meningitis, treatment of invasive H. influenzae infections is carried out using carbapenems, such as imipenem, or third-generation cephalosporins, such as cefotaxime. Therefore, the prevalence of antibiotic resistances to these substances was investigated and possible resistance mechanisms were examined. The two antibiotic susceptibility testing methods Gradient agar diffusion (GAD) and broth microdilution (BMD) were compared. As a result, for the determination of the cefotaxime MIC, the two methods showed an excellent correlation, whereas for imipenem there were significant differences in the measured MIC values. Since strains tested by GAD often showed double or fuzzy inhibition zones, heteroresistances may be more apparent using this method and GAD may be more sensitive at detecting imipenem resistance. The prevalence of imipenem resistance was determined for the year 2016. The analysis of 474 different invasive isolates showed a high prevalence of 5.5 %. If including all resistant isolates according to GAD, the prevalence would be even as high as 13.5 %. MLST was performed on all isolates to investigate the genetic relationship. As a result, however, some sequence types were observed more frequently, it revealed a significant diversity. Both the analysis of ftsI and acrR showed previously described amino acid substitutions. Cefotaxime resistance was investigated for all 2432 invasive H. influenzae for the years 2016-2019. The low prevalence of 0.9 % shows that cefotaxime is still well suited for the treatment of invasive H. influenzae infections. For the investigation of the genetic relationship and possible causes of cefotaxime resistance whole genome sequencing (WGS) was performed on all resistant isolates. The strains showed high genetic diversity and the geographic analysis also showed that the resistant strains were evenly spread throughout the population in Germany. This led to the conclusion that cefotaxime resistance is more likely caused by sporadic mutation events rather than by specific clones spreading in certain areas. The analysis of the ftsI gene showed that the amino acid substitutions L389F and Y557H are significantly associated with elevated cefotaxime MICs. This dissertation provides comprehensive data regarding diagnostics, antimicrobial susceptibility testing and the epidemiology of antibiotic resistances of invasive H. influenzae. It could be shown that the VITEK MS IVD, although established in the routine diagnostics, can only be used to a limited extent for reliably differentiating H. influenzae and H. haemolyticus isolates. Regarding antibiotic susceptibility testing, it was found that GAD showed similar results compared to the gold standard BMD when testing cefotaxime. When testing imipenem, this method was even more sensitive in detecting heteroresistances compared to the gold standard. For the first time, the epidemiology of antibiotic resistance against cefotaxime and imipenem was carried out using a large set of precisely defined invasive H. influenzae isolates to obtain representative data for the prevalence of imipenem and cefotaxime resistance in Germany. By investigating amino acid substitutions in the ftsI and acrR gene the epidemiology and relevance of these substitutions could be shown. A well-founded statement on the relationship of the resistant strains could be made using the state-of-the-art typing methods MLST and whole genome sequencing. The genome data also offers the possibility of examining other genes of these strains in more detail.

Infections in critically ill patients are a problem for the healthcare system and at any one time, 70 % of all intensive care unit (ICU) patients are treated with antibiotics. Antibiotics bind toproteins in the blood, but only unbound drug can diffuse over capillary membranes and bindto the targeted receptor. Standard protein binding percentages for antibiotics have been developed from studies on healthy volunteers and dosing regimens for patients are adapted accordingly. The determination of the total concentration of antibiotics in patients’ bloodsamples is, based on the standard percentages, ordinarily representative for the pharmacological effect of the antibiotic. However, certain conditions that are common incritically ill patients can alter protein binding percentages, resulting in a larger or smaller unbound fraction. This in turn can result in toxicity or therapeutic failure. The aim of this project was to develop an analytical method for the determination of the unbound concentration of the Beta-Lactam antibiotics cefotaxime, flucloxacillin, cloxacillin and piperacillin in plasma. A method was successfully developed using ultrafiltration for the extraction of unbound analytes and ultra high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry, UHPLC-MS/MS, for their quantification. The method was partly validated according to the European Medicines Agency’s guidelines on bioanalytical method validation. / Kritiskt sjuka patienter med infektioner är en börda för sjukvården och 70 % av alla patienter på intensivvårdsavdelningar är ordinerade antibiotika. Antibiotika binder till proteiner i blodet, men enbart den icke-proteinbundna (fria) fraktionen kan diffundera över kapillära membran och binda till receptorer. Standardproteinbindningsgrad för olika antibiotika har utvecklats från studier på friska frivilliga och doseringen av läkemedlen är anpassade därefter. Den totala koncentrationen av antibiotika i patienters blod är vanligen representativ för den farmakologiska effekten. Dock kan vissa sjukdomar påverka proteinbindningsgraden vilket resulterar i en större eller mindre mängd fria antibiotika i blodcirkulationen. Det här kan i sintur resultera i toxicitet eller otillräcklig effekt av läkemedlet. Syftet med det här projektet var att utveckla en analytisk metod för att bestämma den fria koncentrationen av Beta-Lactam antibiotikan cefotaxim, flukloxacillin, kloxacillin och piperacillin i plasma. En metod utvecklades med ultrafiltrering för extraktion av den fria fraktionen och högupplösande vätskekromatografi och tandem masspektrometri, UHPLCMS/MS, för kvantifiering av analyterna. Metoden validerades delvis enligt den Europeiska Läkemedelsmyndighetens riktlinjer för bioanalytisk metodvalidering.

Introduktion Antibiotikaresistens är ett globalt växande problem. Till gruppen β-laktamantibiotika hör piperacillin-tazobaktam och cefotaxim som båda verkar genom att försvaga cellväggen med kovalenta bindningar till peptidoglykanlagret som lyserar cellen. E. coli och K. pneumoniae tillhör gruppen Enterobacteriaceae, som är en del av den humana tarmfloran och ofta förekommande vid urinvägsinfektion och sepsis. Utvidgat Spektrum β-Laktamas (ESBL) är ett enzym som finns hos Enterobacteriaceae och som hydrolyserar β-laktamantibiotika. Matrix assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) är en kvalitativ analysteknik för detektion av kemiska föreningar i avseende på massa och laddning. Kännedom om antibiotikametaboliters molekylvikt vid hydrolys möjliggör detektion. Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) är en högsensitiv kvantifieringsmetod som separerar molekyler i avseende på polaritet för vidare detektion i avseende på massa och laddning. Syfte Syftet med denna studie var att vidareutveckla en snabb och effektiv metod för att påvisa nedbrytning av piperacillin-tazobaktam och cefotaxim i blodplasma med LC-MS/MS. Material och Metod Tiofaldigt sjunkande koncentrationer av piperacillin-tazobaktam från 2000 till 2 µg/ml, och cefotaxim med koncentrationerna 500 till 0,5 µg/ml analyserades med MALDI-TOF MS, dels intakt men även med bakterierna E. coli och K. pneumoniae med uttryck av olika resistensmekanismer. Vid optimerade koncentrationer spikades plasmaprover med nedbrutet antibiotika som sedan kvantifierades med LC-MS/MS. Resultat Lägsta detektionsgräns med MALDI-TOF MS för intakt och hydrolyserat piperacillin-tazobaktam var 20/2,5 µg/ml. För cefotaxim var lägsta gränsen 5 µg/ml. Med kliniskt relevanta blodkoncentrationer gick hydrolys inte att detektera för. Med tre bakteriekolonier/50 µl kunde dock hydrolys detekteras och kvantifieras med LC-MS/MS. Slutsats Detektion av β-laktamantibiotika är möjligt med både MALDI-TOF MS och LC-MS/MS. För att påvisa hydrolys krävdes större mängder bakterier än förväntat med LC-MS/MS. / Introduction Antibiotic resistance is a global growing problem. Piperacillin-tazobactam and cefotaxime are parts of the group β-lactam antibiotics. The common feature is to inhibit the cell wall synthesis by covalent bindings to the peptidoglycan layer and thereby causing lysis of the bacterial cell. E. coli and K. pneumoniae are members of the Enterobacteriaceae which is a part of the human normal flora but also are commonly associated with urinary tract infections which sometimes develops into to sepsis. Extended Spectrum β-Lactamases (ESBLs) are enzymes with hydrolytic abilities acting on β-lactam antibiotics, expressed by Enterobacteriaceae. The qualitative, Matrix assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) can be used to detect chemical compounds in the ratio of mass to charge in accordance to their molecular weight. Liquid Chromatography Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) is a highly sensitive two-step method of quantification which first separate molecules by their polarity attraction force and then by the ratio of mass to charge. Aim The aim of this study was to develop a fast and efficient method to determine degradation of piperacillin-tazobactam and cefotaxime in blood plasma by LC-MS/MS. Method Tenfold dilution of piperacillin-tazobactam in concentrations of 2000 to 2 µg/ml, and cefotaxime in concentrations of 500 to 0,5 µg/ml where analyzed by MALDI-TOF MS, intact and also with the bacteria E. coli and K. pneumoniae with different expression of antibiotic resistance. Optimized concentrations where fixed in blood plasma and then quantified by LC-MS/MS. Result The detection limit by using MALDI TOF MS of hydrolyzed as well as non-hydrolyzed piperacillin-tazobactam was 20/2,5 µg/ml. The detection limit in cefotaxime was 5 µg/ml. Hydrolysis could not be detected in clinically fixed blood concentrations. Detection and quantification of hydrolysis by LC-MS/MS was possible in a concentration of three bacteria colonies/50 µl. Conclusion It is possible to detect hydrolysis in both MALDI TOF MS and LC-MS/MS. A larger amount of bacteria than expected was needed to demonstrate hydrolysis In LC-MS/MS.