Universiẗat, Diss., 2004--Kiel.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.

Universiẗat, Diss., 2002--Marburg.

BACKGROUND. Prostate cancer (PCa) remains a major health concern in men of the Western World. However, we still lack effective diagnostic tools a) for an effective screening with both high sensitivity and specificity, b) to guide biopsies and avoid histology sampling errors and c) to predict tumor aggressiveness in order to avoid overtreatment. Therefore, a more reliable, highly cancer-specific and ideally in vivo approach is needed. The present study has been designed in order to further develop and test the method of "metabolomic imaging" using magnetic resonance spectroscopy (MRS) at 7T to address those challenges. METHODS. Thirty whole prostates with biopsy-proven PCa were in vitro analyzed with a 7T human MR scanner. A voxel grid containing the spectral information was overlaid with the MR image of the middle transverse cross-sectional plane of each case. Subsequent histopathological evaluation of the prostate specimen followed. After the spectral output was processed, all voxels were compared with a metabolomic PCa profile, which had been established within a preliminary study, in order to create a metabolomic map indicating MRS cancer-suspicious regions. Those regions were compared with the histologically identified tumor lesions regarding location. RESULTS. Sixty-one percent of the histological cancer lesions were detected by metabolomic imaging. Among the cases with PCa on the examined slice, 75% were identified as cancerous. None of the tested features significantly differed between detected and undetected cancer lesions. A defined "Malignancy Index" (MI) significantly differentiated between MRS-suspicious lesions corresponding with a histological cancer lesion and benign lesions (p = 0.006) with an overall accuracy of 70%. The MI furthermore showed a positive correlation with the Gleason grade (p = 0.021). CONCLUSION. A new approach within PCa diagnostics was developed with spectral analysis including the whole measureable metabolome - referred to as "metabolomics" - rather than focusing on single metabolites. The MI facilitates precise tumor detection and may additionally serve as a marker for tumor aggressiveness. Metabolomic imaging might contribute to a highly cancer-specific in vivo diagnostic protocol for PCa. / Diese Studie befasst sich mit der Diagnostik von Prostatakarzinomen mittels metabolomischer Bildgebung auf Grundlage der Magnetresonanzspektroskopie. An dreißig Organen mit gesichertem Prostatakarzinom wurde nach Prostatektomie in vitro ein Magnetic-Resonance-Spectroscopy-Imaging (MRSI)-Scan mit 7T durchgeführt. Die Auswertung der prostatischen Spektren erfolgte mittels eines in einer Vorstudie definierten Prostatakrebs-Profils, das die metabolomischen Daten des gesamten messbaren Metaboloms einbezog. Die Ergebnisse der metabolomischen Bildgebung wurden anschließend mit denen der histologischen Untersuchung nach dem MRSI-Scan verglichen. 61% der histologisch nachgewiesenen Krebsläsionen konnten mittels der metabolomischen Bildgebung detektiert werden. Ein "Malignancy Index" unterschied signifikant zwischen malignen MRSI-Läsionen sowie den falsch Positiven. Er dient nachweislich als möglicher Marker für Tumoraggressivität. Mit der metabolomischen Bildgebung wurde ein Verfahren vorgestellt, das hochspezifisch für das Prostatakarzinom ist, eine Tumorlokalisation vor Biopsieentnahme ermöglicht sowie eine Abschätzung der Tumoraggressivität und möglichen Progression erlaubt. Dennoch sind weitere Studien erforderlich, um das Verfahren sowie insbesondere die Sensitivität zu verbessern.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Klärung der Fragestellung, ob sich die quantitative NMR-Spektroskopie zur Bestimmung von Identität, Reinheit und Gehalt von Arzneistoffen eignet, und wie sich Präzision und Empfindlichkeit dieser Methode im Vergleich zu etablierten chromatographischen Verfahren verhalten. Die quantitative Untersuchung der drei strukturell jeweils verwandten Mehrkomponentengemische Codergocrinmesilat, Clomifencitrat und Flupentixoldihydrochlorid bewies eindrucksvoll die Eignung der 1H-NMR-Spektroskopie als orthogonale, analytische Messmethode im Vergleich zu validierten HPLC-Arzneibuchmethoden. Die im Rahmen einer Validierung der 1H-NMR-Methode ermittelten Ergebnisse erfüllten bezüglich Präzision und Richtigkeit die an eine im pharmazeutischen Bereich eingesetzte analytische Methode gestellten Anforderungen; zudem wurden weitere Prüfparameter wie Selektivität, Linearität, Robustheit und Stabilität verifiziert. Externe-Standard-Experimente wie "Zwei-Röhrchen-Methode" und ERETIC-Verfahren bestätigten die quantitativen Ergebnisse der Internen Standardisierung; jedoch wurde hier -- insbesondere für die ERETIC-Technik -- eine höhere Fehleranfälligkeit und somit eine größere Streuung der Einzelergebnisse beobachtet. Am Beispiel von Codergocrinmesilat und Flupentixoldihydrochlorid konnte zudem die Eignung anderer NMR-aktiver Kerne wie 13C und 19F für die quantitative Analyse von komplexen Substanzgemischen aufgezeigt werden. Das Potential der 1H-NMR-Spektroskopie für die Reinheitsprüfung von Arzneistoffen wurde am Beispiel der Aminosäure L-Alanin aufgezeigt. Die zu erwartenden Verunreinigungen Glutamin-, Asparagin-, Äpfel- und Fumarsäure konnten im Gegensatz zu den "veralteten" Prüfmethoden des Europäischen Arzneibuches eindeutig identifiziert und quantifiziert werden; mit einer Bestimmungsgrenze von <= 0.03% wurden die Vorgaben der ICH-Richtlinie Q3A(R2) erfüllt. Die deutliche Übereinstimmung der NMR-spektroskopisch ermittelten Ergebnisse einer quantitativ untersuchten Alanin-Modellmischung mit einer für den Routinebetrieb geeigneten HPLC-Methode unter Einsatz verschiedener Detektoren wie CAD, NQAD, ELSD und MS, sowie der Vergleich wichtiger Prüfparameter wie Linearität und Nachweisgrenze bestätigten die Eignung der 1H-NMR-Spektroskopie im Rahmen der routinemäßig durchgeführten Qualitätskontrolle. Die Aufdeckung von Arzneimittelfälschungen mit Hilfe der NMR-Spektroskopie wurde im Rahmen dieser Arbeit anhand der zwei aktuellen Fallbeispiele Heparin und Glycerin näher untersucht. Die in Zusammenhang mit dem Heparin-Skandal verantwortliche Kontaminante OSCS konnte neben Dermatansulfat und weiteren natürlich vorkommenden Glykosaminoglykan-Verunreinigungen im 1H-NMR-Spektrum eindeutig identifiziert und auf 0.1% OSCS bzw. 0.5% Dermatansulfat begrenzt werden. Eine präzise und richtige quantitative Bestimmung der beiden Glykosaminoglykane wurde über die N-Acetyl-Resonanzen mit Hilfe der Signalhöhenbestimmung und dem Standard-Additionsverfahren ermöglicht; deutliche Abweichungen vom "wahren" Gehalt wurden hingegen, bedingt durch starke Signalüberlagerungen, nach Flächenvergleich beobachtet. Weitere Verunreinigungen, insbesondere Lösungsmittelrückstände, die während des Extraktions- und Reinigungsprozesses des Heparins eingesetzt werden, konnten ebenfalls über charakteristische Resonanzen identifiziert und mit Hilfe der Internen-Standard-Methode quantitativ erfasst werden. Eine umfangreiche Untersuchung von 145 Heparin-API-Mustern mittels NMR-Spektroskopie und weiteren, neuentwickelten Verfahren wie HPLC, CE, IR- und Raman-Spektroskopie konnte die Eignung der entwickelten 1H-NMR-Methode bestätigen. Potentielle Glycerin-Kontaminanten wie Diethylenglycol und Ethylenglycol konnten ebenso wie eine weitere, natürlich vorkommende Verunreinigung, Propylenglycol, mittels 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie identifiziert und quantifiziert werden. Beide Methoden erfüllten die in der USP beschriebenen Anforderungen, die für pharmazeutisch eingesetztes Glycerin jeweils höchstens 0.1% Diethylenglycol bzw. Ethylenglycol erlaubt. Während die quantitative Reinheitsprüfung beim Einsatz der 1H-NMR-Spektroskopie mit einer Messdauer im Bereich von etwa 30 min für den Routineeinsatz geeignet ist, ist die entwickelte quantitative 13C-NMR-Methode beim Einsatz von Spektrometern geringer Magnetfeldstärke aufgrund einer geringen Nachweisempfindlichkeit und der NOE-Problematik für den Routinebetrieb nur bedingt anwendbar. Abschließend kann zusammengefasst werden, dass die untersuchten Beispiele die NMR-Spektroskopie als in hohem Maße geeignet für die quantitative Analyse von Arzneimitteln ausweisen. / The main objective of the present thesis was the investigation of the suitability of quantitative NMR spectroscopy for identification, purity assay, and quantification of a given drug, as well as a comparison of precision and sensitivity of this method with well-established chromatographic routines. The quantitative analysis of the three multi-component drug mixtures codergocrine mesylate, clomiphene citrate, and flupentixol dihydrochloride strikingly demonstrates the suitability of the 1H NMR spectroscopy as an independent analytical measurement technique in comparison to validated HPLC methods of international pharmacopoeias. Concerning precision and accuracy, the results obtained from validation of the 1H NMR method met the requirements that are made on an analytical routine for pharmaceutical purposes; additionally, further validation parameters such as selectivity, linearity, robustness, and stability have been verified. Experiments like the "twin tube" and ERETIC techniques utilizing external standards confirm these results; however, in this context an increased error rate and therefore larger variance was observed, especially in the case of ERETIC. By means of codergocrine mesylate and flupentixol dihydrochloride, additionally the suitability of other NMR active nuclei as 13C or 19F for quantification of complex mixtures was shown. The potential of the 1H NMR spectroscopy for purity assays was demonstrated for the example of the amino acid L-alanin. Identification and quantification of the expected impurities glutamic acid, aspartic acid, malic acid, and fumaric acid was possible, in contrast to "out-dated" test methods of the European Pharmacopoeia; achieving a limit of quantification <= 0.03%, the demands of the ICH guideline Q3A(R2) have been met. Concerning the quantification of an alanine model mixture, the clear agreement between the results obtained by means of NMR spectroscopy and a HPLC method using various detectors like CAD, NQAD, ELSD, and MS, suited for routine analysis, as well as the comparison of various relevant parameters such as linearity and limit of quantification confirmed the qualification of 1H NMR spectroscopy in the field of routine quality assurance. Within the scope of this work, the disclosure of counterfeit drugs by means of NMR spectroscopy was investigated in detail utilizing two current case studies, namely heparin and glycerin. Besides dermatan sulfate and other natural occurrences of glycosaminoglycan impurities, the contaminant OSCS revealed in connection with the recent heparin affair was clearly identified in the 1H NMR spectrum and these contaminants could be limited to 0.1% OSCS and 0.5% dermatan sulfate, respectively. A precise and accurate quantification of these two glycosaminoglycanes was achieved using signal height and standard addition methods applied to the N-acetyl resonances; comparison of signal areas however yielded considerable deviations from the "true" content, which are due to strong signal overlap. Further contaminants, especially solvent residues originating from the extraction and purification processes of heparin, have been able to be identified with the help of characteristic resonances; their quantification was possible. An extensive study of 145 heparin API samples by means of NMR spectroscopy and other novel techniques such as HPLC, capillary electrophoresis, IR and Raman spectroscopy confirmed the qualification of the developed 1H NMR method. Potential contaminants in glycerin such as diethylene glycol and ethylene glycol have been able to be identified as well as quantified by means of 1H and 13C NMR spectroscopy, as was the case for propylene glycol, which is naturally present. Both methods met the requirements of the USP, limiting the amount of diethylene glycol and ethylene glycol for pharmaceutical purposes to 0.1%, respectively. While 1H NMR spectroscopy with a measurement time of about 30 min is well suited for routine application, the applicability of the 13C NMR method is limited due to the NOE effect and the low sensitivity at low field strengths. In conclusion, each of the attended topics showed, that NMR spectroscopy is a powerful tool within the framework of quantitative drug analysis.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Medium Range Order in binären Alkalisilicatgläsern mittels 29Si-Festkörper-NMR-Spektroskopie. Die Medium Range Order kann durch die Qn,jklm-Verknüpfungen beschrieben werden. Die experimentelle Ermittlung der Qn,jklm-Verknüpfungen ermöglicht Aussagen über die kontrovers diskutierte topologische Verteilung der Qn-Gruppen im Glas, d.h. ob im Glas eine homogene oder inhomogene Qn-Verteilung vorliegt. Es wurden 29Si-angereicherte binäre Natrium- und Lithiumsilicatgläser verschiedener Zusammensetzungen NMR-spektroskopisch untersucht. Die Anreicherung mit dem 29Si-Isotop führte einerseits zu einer signifikanten Verbesserung des Signal / Rausch-Verhältnisses der 1D-Spektren und ermöglichte andererseits die Anwendung von 2D-NMR-Experimenten. Aus der Kombination der verschiedenen NMR-Methoden konnten Erkenntnisse über die Qn,jklm-Verknüpfungen gewonnen werden. In allen untersuchten Gläsern wurden Abweichungen von einer homogenen Qn-Verteilung gefunden.

Thesis (doctoral)--Universität Stuttgart, 1995.

Zugl.: Berlin, Freie Univ., DFiss., 2009

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an Rückständen von thermisch abgebauten, flammgeschützten Polymeren vorgenommen, mit dem Ziel, die Struktur und den Phasenbestand der eingebauten Flammschutzmittel und der Polymere sowie deren Wechselwirkungen als Funktion der Temperatur und umgebenden Atmosphäre (N2 und Luft) zu charakterisieren. Ein wichtiges Werkzeug, das Informationen über den amorphen Zustand der Abbauprodukte und deren thermisch bedingte Phasenumwandlungen in andere amorphe oder kristalline Strukturen sowie Aussagen über die Nahordnungen der betrachteten Kernspinsorte liefert, stellt in dieser Arbeit der Einsatz der Festkörper-NMR-Spektroskopie dar. Hierbei sind neben Einzelimpuls- (SP), rotor-synchronisierte Spin-Echo- (RSE) und Kreuzpolarisationstechniken (CP) auch REDOR- (Rotational echo double resonance) und TRAPDOR- (Transfer of population in double resonance) Messungen zur Anwendung gekommen. Zusätzlich konnten aus den 11B- und 31P-NMR-Experimenten quantitative Aussagen über den relativen Borat- und Phosphor bzw. Phosphat-Anteil im festen Rückstand getroffen werden, wobei insbesondere für die 31P-Kerne eine quantitative Erfassung der kristallinen und amorphen Phosphatphasen durchgeführt wurde. Im ersten System wurden die Flammschutzmittel roter Phosphor (Prot) und Mg(OH)2 in HIPS kombiniert. Aus den Ergebnissen umfangreicher NMR-Experimente konnte abgeleitet werden, dass der größte Teil des eingesetzten Prot hauptsächlich in amorphen (Mg-Ortho-, -Di-, -Ketten- und Ringphosphaten) und weniger in kristallinen Phosphatphasen verbleibt. Zudem konnte für den Parameter der Temperatur und aus der Verfügbarkeit von Sauerstoff (N2-Atmosphäre/Luft) einen deutlicher Einfluss auf den Abbauprozess und die Bildung der Phosphatphasen (kristallin/amorph) nachgewiesen werden. Aus dem Vergleich der Ergebnisse der Temperversuche mit den Ergebnissen der Verbrennungsversuche im Cone Calorimeter konnte ein anaerober Abbauweg bestätigt werden. In einem zweiten System wurden die thermischen Reaktionen zwischen den Flammschutzadditiven BDP und Zinkborat sowie ihren Einfluss auf den thermischen Abbau eines PC/ABS-Blends untersucht. Der thermisch belastete Rückstand wird unabhängig von der Atmosphäre von amorphen Phosphatgruppen dominiert. Dabei konnten die während der Temperprozesse gebildeten Verbindungen &#945; Zn3(PO4)2 und BPO4 als Folge einer Festphasenreaktion zwischen den eingesetzten Flammschutzadditiven identifiziert werden, wobei das &#945; Zn3(PO4)2/BPO4 Verhältnis als Indikator für einen aeroben bzw. anaeroben Abbauprozess dient, der für die Feuerrückstände eindeutig einen anaeroben Abbau liefert. / This study aims at the structural characterisation of embedded flame retardants and polymers. Analysis includes determination of the phase contents as well as description of their mutual interactions as a function of their thermal history in different atmospheres (air and nitrogen). Solid-state NMR spectroscopy is the most important tool applied in this thesis. This technique enables structural information about the amorphous state of the decomposed products, determination of the thermal and thermo-oxidative conversion in different amorphous and crystalline structures, and predictions about the short-range order of the observed nuclei. In this context measurements of single pulse (SP), rotor-synchronised spin echo (RSE) and cross polarisation (CP) experiments, as well as REDOR (Rotational echo double resonance) and TRAPDOR- (Transfer of population in double resonance) have been conducted. Additionally, 11B SP and 31P RSE experiments have been used to study quantitatively the borate and both phosphorus and phosphate contents in the solid residues. Particular emphasis was put on quantifying crystalline and non-crystalline phosphate phases. The first system consists of a combination of the flame retardants red phosphorus (Pred) and Mg(OH)2 in HIPS. From the results of extensive NMR experiments it was deduced that most of inserted red phosphorus remains in amorphous phosphates phases (ortho, pyro, and chain/ring phosphates) besides some crystalline phosphate phases. Decomposition characteristics such as temperature and the availability of oxygen (N2 atmosphere/air) show a significant influence on the decomposition process and the formation of phosphate phases (crystalline/amorphous). By comparing the results of the annealing processes to the results of the cone calorimeter measurements an anaerobic decomposition way was confirmed. In a second system, thermal reactions between the two flame retardants BDP and zinc borate as well their influence on the thermal decomposition of a PC/ABS blend were investigated. The thermally residues are independently of the atmosphere dominated by amorphous phosphate units. During the thermal decomposition the formation of &#945;-Zn3(PO4)2 and BPO4 could be identified as solid reaction products of the inserted flame retardants. In addition, the &#945; Zn3(PO4)2/BPO4 ratio served as an indicator of aerobic or anaerobic decomposition processes, proving an anaerobic decomposition mechanism for the fire residues.

Der Morbus Fabry ist eine lysosomale Speicherkrankheit, die auf einem Mangel des Enzyms a-Galaktosidase A beruht. Die Krankheit wird X-chromosomal rezessiv vererbt und entsteht durch Mutation des a-Galaktosidase-Gens auf dem langen Arm des Chromosoms Xq22. Durch die erniedrigte bzw. fehlende Enzymaktivität kommt es zu einer übermäßigen Ablagerung von Glykosphingolipiden in sämtlichen Geweben des menschlichen Körpers, besonders betroffen sind Herz, Nieren, Gefäße und ZNS. Die Krankheit ist durch einen progredienten Verlauf und einer eingeschränkten Lebenserwartung gekennzeichnet. Insbesondere die kardialen Auswirkungen wie Herzrhythmusstörungen, Klappenvitien und linksventrikuläre Hypertrophie führen zur Herzinsuffizienz und fast immer zu einem meist frühzeitigen Tod durch Herzversagen. Seit einiger Zeit steht in der Enzymersatztherapie mit rekombinanter a-Galaktosidase A (Agalsidase) eine kausale Behandlung zur Verfügung. Unter der Therapie mit Agalsidase zeigen sich auch Verbesserungen der kardialen Parameter, insbesondere eine Reduktion der linksventrikulären Masse. Zur Kontrolle und zur Dokumentation der medikamentösen Wirkung an den verschiedenen Organen waren und sind klinische Studien und Untersuchungen der betroffenen Patienten notwendig. Zur Beurteilung der kardialen Funktion steht, neben den bekannten Routineverfahren wie der Echokardiographie und der MR-Bildgebung, mit der 31P-Magnetresonanz-Spektroskopie ein nicht invasives Verfahren zur Beurteilung des myokardialen Stoffwechsels zur Verfügung. Mit Hilfe von speziellen Auswerteprogrammen können die Absolutkonzentrationen von energiereichen Metaboliten, besonders von Phosphokreatin und Adenosintriphosphat, im Herzmuskel in vivo bestimmt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war zunächst einmal die Messung der Konzentrationen der energiereichen Metabolite im Myokard von Patienten mit Morbus Fabry und der Vergleich der Daten mit denen von gesunden Probanden. Des weiteren wurde die Patientengruppe unter Therapie mit Agalsidase b einer frühen und einer späten Kontrolluntersuchung mittels MR-Spektroskopie unterzogen, um Veränderungen im kardialen Metabolismus darzustellen. Die spektroskopischen Daten gaben Aufschluss über Ausmaß der Beeinträchtigung des myokardialen Stoffwechsels aufgrund der Gb3-Ablagerungen und ergänzten die klinischen und bildmorphologischen Untersuchungen. Hierbei konnte eine tendenzieller Anstieg der PCr- und ATP-Konzentrationen unter ERT im Myokard nachgewiesen werden, gleichfalls zeigten sich in dem untersuchten Kollektiv eine Abnahme der linksventrikulären Masse und eine erhöhte Ejektionsfraktion. Ebenso konnte dargelegt werden, dass wie auch bei anderen Herzerkrankungen, wie zum Beispiel der dilatativen Kardiomyopathie oder der koronaren Herzkrankheit, bei einer Stoffwechselerkrankung wie der Fabry-Krankheit deutlich verringerte Konzentrationen energiereicher Phosphate in den Herzmuskelzellen vorliegen. / Fabry disease is a X-linked inborn metabolic defect of the lysosomal enzyme a-galactosidase A. The lack of a-galactosidase A causes an intracellular accumulation of glycosphingolipids, mainly globotriaosylceramide. The signs and symptoms of this disease are various, mainly affected organs are heart, kidneys, vascular endothelium, brain and the nervous system. Cardiac involvement is frequent and leads to progressive heart failure. Beside supportive treatment of the symptoms, a new specific therapy with recombinant enzyme is now available. Examination of the cardiac function of patients undergoing enzyme replacement therapy is necessary and only 31P magnetic resonace spectroscopy allows a non-invasive asessment of high-energy metabolites in the myocardium.