Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Zugl.: Giessen, Univ., Diss., 2005

Regensburg, Univ., Diss., 2010.

Universiẗat, Diss., 2005--Giessen.

Die Alkoholabhängigkeit ist die häufigste stoffgebundene Suchterkrankung, die immense volkswirtschaftliche Kosten verursacht. Sie führt bei den Betroffenen zu massiven Beeinträchtigungen in allen Lebensbereichen, insbesondere zu gesundheitlichen Problemen. Es existieren bisher mehrere Studien, die sich mit strukturellen Auffälligkeiten des Gehirns bei Alkoholabhängigkeit befassen, jedoch kaum funktionell-bildgebende Untersuchungen. Insbesondere fehlen Studien, welche die Erholung neuronaler Funktionen bei abstinenten alkoholabhängigen Personen untersuchen. In der vorliegenden Arbeit bearbeiteten je 20 entzügige, entgiftete und abstinente Probanden sowie 20 gesunde Kontrollprobanden einen seman-tischen und phonologischen Wortflüssigkeitstest (WFT). Währenddessen wurde ihre präfrontale Oxygenierung mittels funktioneller Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) aufgezeichnet. Die Gruppen waren nach Geschlecht, Alter, Händigkeit und Bildung vergleichbar. Auf Verhaltensebene fanden sich keine signifikanten Gruppenunterschiede. Die Gruppen der Entzügigen und Entgifteten zeigten insbesondere während des phonologischen WFT eine im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant verminderte Aktivierung in frontalen Gehirnbereichen. Die Gruppe der Abstinenten unterschied sich nicht signifikant von der Kontrollgruppe. Darüber hinaus war ein signifikanter linearer Trend mit zunehmender präfrontaler Oxygenierung über die Gruppen hinweg nachweisbar (Kontrast: Entzügige < Entgiftete < Abstinente < Kontrollen). Die Ergebnisse lassen eine Abnahme der pathologischen Durchblutungsmuster bei Probanden mit mindestens dreimonatiger Abstinenz erkennen, was neuronale Regenerationsprozesse vermuten lässt. Ein solcher Befund könnte im Rahmen der Suchttherapie als motivationaler Faktor eingesetzt werden. Allerdings sind aufgrund fehlender Längsschnittstudien und wegen der Komplexität der Alkoholabhängigkeit weitere Untersuchungen notwendig, um genauere Aussagen zu neuronalen Regenerationsprozessen treffen zu können. / We examined three groups of each 20 subjects in different phases of alcohol addiction (withdrawal, detoxified, abstinent) and a healthy controll group with 20 subjects with near infrared spectroscopy (NIRS) during an verbal fluency task. There was no significant differences between the groups in performance but in prefrontal oxygenation. The subjects in the first two groups (withdrawal, detoxified) showed a significant reduced prefrontal oxygenation compared to the controll group. The abstinent subjects did not differ significant from the controll group. Moreover we could find a significant linear trend with increase of prefrontal oxygenation (contrast: withdrawal < detoxified < abstinent < controls).

Litter-decay fungi have recently been shown to secrete heme-thiolate peroxygenases that oxidize various organic chemicals, but little is known about the physiological role or the mechanism of these enzymes. The aromatic peroxygenase of Agrocybe aegerita (AaeAPO) was purified and catalytically characterized. An overall reaction mechanism was proposed. The results show that AaeAPO catalyzed diverse H2O2-dependent monooxygenations (two-electron oxidations) including (a) the cleavage of aliphatic and aromatic ethers, (b) the regio- and enantioselective hydroxylation of aromatic compounds, (c) the stepwise oxygenation of benzylic compounds, (d) the N-dealkylation of secondary amines and (e) the dehalogenation of halogenated aliphatic compounds as well as typical peroxidase reactions (suggested to involve one-electron oxidation) such as (f) oxidation and polymerization of phenols and (g) halogenations. The enzyme failed to oxidize polymers such as polyethylene glycol (PEG). Mechanistic studies with several model substrates provided information about the reaction cycle of AaeAPO: (1) stoichiometry of tetrahydrofuran cleavage showed that the reaction was a two-electron oxidation that generated one aldehyde group and one alcohol group, yielding the ring-opened product 4-hydroxybutanal, (2) steady-state kinetics results with methyl 3,4-dimethoxybenzyl ether, which was oxidized to 3,4-dimethoxybenzaldehyde, gave parallel double reciprocal plots suggestive of a ping-pong mechanism, (3) the cleavage of methyl 4-nitrobenzyl ether, the hydroxylation of aromatics such as diclofenac and nitrophenol and the oxygenation of benzylic compounds, resulted in incorporation of 18O into the reaction product in the presence of H218O2, and (4) the demethylation of 1-methoxy-4-trideuteromethoxybenzene showed an distinct observed intramolecular deuterium isotope effect. These results support a mechanism similar to that envisaged for the peroxygenase activity of P450s in which the enzyme heme is oxidized by H2O2 to give an iron species that carries one of the peroxide oxygen. This intermediate then abstracts a hydrogen from the substrate, which is followed by rebound of an •OH equivalent to produce the monooxygenated reaction product (hydrogen abstraction and oxygen rebound mechanism). AaeAPO may accordingly have a role in the biodegradation of natural and anthropogenic low molecular weight compounds in soils and plant litter. Moreover, the results raise the possibility that fungal peroxygenases may be useful for versatile, cost-effective, and scalable syntheses of drug metabolites and herbicide precursors. / Die Peroxygenase des Südlichen Ackerling (Agrocybe aegerita, AaeAPO) wurde gereinigt, ihr Katalysepotential ermittelt und ein allgemeiner Reaktionsmechanismus postuliert. Die AaeAPO katalysiert sowohl H2O2-abhängige Monooxygenierungen (Zwei-Elektron Oxidationen) wie (a) die Spaltung aliphatischer und aromatischer Ether, (b) die regio- und enantioselektive Hydroxylierung von Aromaten, (c) die schrittweise Monooxygenierung von Toluolderivaten, (d) die N-Dealkylierung sekundärer Amine und (e) die Dehalogenierung chlorierter Aliphaten als auch typische Reaktionen bekannter Peroxidasen (vermutlich Ein-Elektron-Oxidation) unter anderem (f) die Oxidation/ Polymerisierung von Phenolen und (g) die Halogenierung von Aromaten. Polymere Verbindungen wie Polyethylenglycol (PEG) werden nicht oxidiert. Mechanistische Untersuchungen zur Etherspaltung am Beispiel der AaeAPO haben Einblick in den generellen Reaktionsmechanismus dieses neuen Enzymtyps ermöglicht: (1) die Stöchiometrie der Spaltung von Tetrahydrofuran entspricht der einer zwei-Elektron-Oxidation, (2) die Spaltung von Methyl-3,4-Dimethoxybenzylether zu 4-Dimethoxybenzaldehyd und Methanol ergaben parallele Verläufe für die ermittelten Ausgleichsgeraden in der doppelt reziproken Darstellung, was einem „Ping-Pong“-Reaktionsmechanismus entspricht (3) die Monooxygenierungen haben stets den Einbau eines aus dem Peroxid (H2O2) stammenden Sauerstoffatoms in das Produkt zur Folge, (4) die O-Dealkylierung von 1-Methoxy-4-Trideuterummethoxybenzol zeigt einen ausgeprägten Deuterium Isotopen Effekt, was auf die primäre Abspaltung eines Wasserstoffatoms vom Substratmolekül hindeutet. Demnach verläuft die Peroxygenase-katalysierte Monooxygenierung über Wasserstoffabstraktion und eine unmittelbar anschließende Sauerstoffrückbindung (hydrogen abstraction - oxygen rebound mechanism). Diese Reaktionsabfolge ähnelt dem sogenannten peroxide "shunt" pathway, der von einer Reihe Cytochrom-P450-abhängiger Monooxygenasen her bekannt ist. Die physiologische Funktion der AaeAPO besteht möglicherweise in der extrazellulären Transformation und Detoxifikation niedermolekularer Pflanzeninhaltsstoffe, mikrobieller Metabolite und anthropogener Xenobiotika. Aufgrund der Stabilität und Unabhängigkeit der AaeAPO von teuren Kofaktoren ergeben sich vielversprechende biotechnologische Möglichkeiten zum Einsatz isolierter Biokatalysatoren in selektiven (bio)chemischen Synthesen monooxygenierter Metabolite.

Patienten mit zerebralen Läsionen, wie der aneurysmatischen Subarachnoidalblutung (SAB) und dem schweren Schädel-Hirn-Trauma (SHT), haben ein hohes Risiko für sekundäre Schädigungen des Gehirns aufgrund einer Minderdurchblutung (Ischämie) und einem Sauerstoffmangel (Hypoxie). Bei der SAB ist heutzutage die verlaufsbestimmende Komplikation das Auftreten einer Vasospasmus- assoziierten Ischämie, d.h. einer Minderdurchblutung aufgrund einer Gefäßverengung, die mit einer hohen Langzeitmorbidität mit schweren neurologischen Defiziten und einer hohen Mortalität assoziiert ist. Seit Beginn der 90er Jahre wird bei SAB- und SHT- Patienten das Mikrodialyseverfahren zur Messung des zerebralen Stoffwechsels eingesetzt und steht als Methode auf der Intensivstation seit 1997 zu Verfügung. Hierbei werden mittels einem, in das gefährdete Hirngewebe inserierten Katheter die extrazellulären Konzentrationen verschiedener Parameter gemessen. Patienten mit SAB weisen in Phasen einer klinischen Verschlechterung (z.B. Auftreten einer Lähmung) charakteristische Veränderungen des Hirnstoffwechsels auf. Vergleichsmessungen mit der Positronenemissionstomographie zeigen als mögliche Ursache für einen gestörten Hirnstoffwechsel einen erniedrigten zerebralen Blutfluß. Auch bei einer drohenden Hypoxie (Hirngewebe-PO2 < 10 mmHg) sind bereits metabolische Veränderungen zu beobachten. Die frühzeitige Erkennung und - wenn möglich - Behandlung einer Ischämie / Hypoxie könnte die Prognose von Patienten nach SAB und SHT wesentlich verbessern. / Patients with cerebral lesions run a high risk of developing cerebral hypoxic and ischemic damage due to secondary insults. To minimize the risk of secondary cerebral hypoxia and ischemia, new monitoring techniques of cerebral oxygenation and metabolism have been developed and may help to understand the pathophysiology of secondary brain damage for a better treatment and outcome in critical patients. Cerebral microdialysis is a relatively new technique for measuring brain molecules of the extracellular space. The technical aspects, the interpretation of the commonly measured parameters, the use of the commonly used oxygenation parameters (monitoring of brain tissue PO2 and the microdialysis technique to monitor cerebral metabolism) in patients with head injury and subarachnoid hemorrhage are considered. Pitfalls of the techniques and their future potential are discussed.

Litter-decay fungi have recently been shown to secrete heme-thiolate peroxygenases that oxidize various organic chemicals, but little is known about the physiological role or the mechanism of these enzymes. The aromatic peroxygenase of Agrocybe aegerita (AaeAPO) was purified and catalytically characterized. An overall reaction mechanism was proposed. The results show that AaeAPO catalyzed diverse H2O2-dependent monooxygenations (two-electron oxidations) including (a) the cleavage of aliphatic and aromatic ethers, (b) the regio- and enantioselective hydroxylation of aromatic compounds, (c) the stepwise oxygenation of benzylic compounds, (d) the N-dealkylation of secondary amines and (e) the dehalogenation of halogenated aliphatic compounds as well as typical peroxidase reactions (suggested to involve one-electron oxidation) such as (f) oxidation and polymerization of phenols and (g) halogenations. The enzyme failed to oxidize polymers such as polyethylene glycol (PEG). Mechanistic studies with several model substrates provided information about the reaction cycle of AaeAPO: (1) stoichiometry of tetrahydrofuran cleavage showed that the reaction was a two-electron oxidation that generated one aldehyde group and one alcohol group, yielding the ring-opened product 4-hydroxybutanal, (2) steady-state kinetics results with methyl 3,4-dimethoxybenzyl ether, which was oxidized to 3,4-dimethoxybenzaldehyde, gave parallel double reciprocal plots suggestive of a ping-pong mechanism, (3) the cleavage of methyl 4-nitrobenzyl ether, the hydroxylation of aromatics such as diclofenac and nitrophenol and the oxygenation of benzylic compounds, resulted in incorporation of 18O into the reaction product in the presence of H218O2, and (4) the demethylation of 1-methoxy-4-trideuteromethoxybenzene showed an distinct observed intramolecular deuterium isotope effect. These results support a mechanism similar to that envisaged for the peroxygenase activity of P450s in which the enzyme heme is oxidized by H2O2 to give an iron species that carries one of the peroxide oxygen. This intermediate then abstracts a hydrogen from the substrate, which is followed by rebound of an •OH equivalent to produce the monooxygenated reaction product (hydrogen abstraction and oxygen rebound mechanism). AaeAPO may accordingly have a role in the biodegradation of natural and anthropogenic low molecular weight compounds in soils and plant litter. Moreover, the results raise the possibility that fungal peroxygenases may be useful for versatile, cost-effective, and scalable syntheses of drug metabolites and herbicide precursors. / Die Peroxygenase des Südlichen Ackerling (Agrocybe aegerita, AaeAPO) wurde gereinigt, ihr Katalysepotential ermittelt und ein allgemeiner Reaktionsmechanismus postuliert. Die AaeAPO katalysiert sowohl H2O2-abhängige Monooxygenierungen (Zwei-Elektron Oxidationen) wie (a) die Spaltung aliphatischer und aromatischer Ether, (b) die regio- und enantioselektive Hydroxylierung von Aromaten, (c) die schrittweise Monooxygenierung von Toluolderivaten, (d) die N-Dealkylierung sekundärer Amine und (e) die Dehalogenierung chlorierter Aliphaten als auch typische Reaktionen bekannter Peroxidasen (vermutlich Ein-Elektron-Oxidation) unter anderem (f) die Oxidation/ Polymerisierung von Phenolen und (g) die Halogenierung von Aromaten. Polymere Verbindungen wie Polyethylenglycol (PEG) werden nicht oxidiert. Mechanistische Untersuchungen zur Etherspaltung am Beispiel der AaeAPO haben Einblick in den generellen Reaktionsmechanismus dieses neuen Enzymtyps ermöglicht: (1) die Stöchiometrie der Spaltung von Tetrahydrofuran entspricht der einer zwei-Elektron-Oxidation, (2) die Spaltung von Methyl-3,4-Dimethoxybenzylether zu 4-Dimethoxybenzaldehyd und Methanol ergaben parallele Verläufe für die ermittelten Ausgleichsgeraden in der doppelt reziproken Darstellung, was einem „Ping-Pong“-Reaktionsmechanismus entspricht (3) die Monooxygenierungen haben stets den Einbau eines aus dem Peroxid (H2O2) stammenden Sauerstoffatoms in das Produkt zur Folge, (4) die O-Dealkylierung von 1-Methoxy-4-Trideuterummethoxybenzol zeigt einen ausgeprägten Deuterium Isotopen Effekt, was auf die primäre Abspaltung eines Wasserstoffatoms vom Substratmolekül hindeutet. Demnach verläuft die Peroxygenase-katalysierte Monooxygenierung über Wasserstoffabstraktion und eine unmittelbar anschließende Sauerstoffrückbindung (hydrogen abstraction - oxygen rebound mechanism). Diese Reaktionsabfolge ähnelt dem sogenannten peroxide "shunt" pathway, der von einer Reihe Cytochrom-P450-abhängiger Monooxygenasen her bekannt ist. Die physiologische Funktion der AaeAPO besteht möglicherweise in der extrazellulären Transformation und Detoxifikation niedermolekularer Pflanzeninhaltsstoffe, mikrobieller Metabolite und anthropogener Xenobiotika. Aufgrund der Stabilität und Unabhängigkeit der AaeAPO von teuren Kofaktoren ergeben sich vielversprechende biotechnologische Möglichkeiten zum Einsatz isolierter Biokatalysatoren in selektiven (bio)chemischen Synthesen monooxygenierter Metabolite.

In der vorliegenden Arbeit wird die Erstellung eines computergestützten Systems zum multimodalen zerebralen Monitoring von Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma beschrieben. Das multimodale zerebrale Monitoring dient der Erfassung, graphischen Darstellung und elektronischen Speicherung von physiologischen Meßdaten. Zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Sauerstoffversorgung wurden die jugularvenöse Oxymetrie, die Hirngewebe-Sauerstoffpartialdruckmessung und die Nah-Infrarot-Spektroskopie hinsichtlich ihrer Stabilität und Sensitivität vergleichend getestet. Weiterhin erfolgte die prospektive Untersuchung der Inzidenz zerebraler hypoxischer Episoden, ihrer möglichen Ursachen, sowie des Einfluß der zerebralen Hypoxie auf das neurologische Outcome er Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma. Zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Oxygenierung ist gegenwärtig die Messung des lokalen Hirngewebe-pO2 am besten geeignet. Als häufigste Ursachen der zerebralen Hypoxie wurden die systemische Hypokapnie, ein verminderter zerebrale Perfusionsdruck und ein erhöhter intrakranieller Druck identifiziert. Das akkumulierte Auftreten zerebraler hypoxischer Episoden für mehr als 30 Minuten war mit einem signifikant schlechteren neurologischen Outcome der Patienten verbunden. Durch die Einführung weiterer Methoden zur invasiven und nicht-invasiven Überwachung von Patienten mit schwerem Schädel-Hirn-Trauma, wie zum Beispiel der zerebralen Mikrodialyse, können zukünftig die metabolischen Veränderungen durch eine zerebrale Hypoxie untersucht werden. / Cerebral hypoxia is considered the main cause of secondary damage to the vulnerable brain following severe traumatic brain injury, and critical care management is primarily focused on the prevention of cerebral hypoxic events. Goals of this study were: First, the development of a computerized multimodal cerebral monitoring system to continuously acquire, display, and record data from multiple monitoring devices. Second, the comparative study of different methods for monitoring of cerebral oxygenation, as there are jugular venous oxygen saturation, near-infrared spectroscopy, and brain tissue oxygen tension. Third, the prospective determination of a critical hypoxic threshold, the incidence of cerebral hypoxia, the influence of standard therapeutic maneuvres to treat intracranial hypertension on cerebral oxygenation, the significance of possible causes of cerebral hypoxia, and the influence of cerebral hypoxia on neurological outcome. The multimodal monitoring system was successfully established on a neurosurgical intensice care unit. Monitoring of local brain tissue pO2 was most appropriate for monitoring of cerebral oxygenation. The critical hypoxic threshold in brain tissue pO2 was 10 mmHg. Standard therapeutic maneuvres to treat elevated intracranial pressure were, in part, unsuccessful in improving cerebral oxygen delivery. Cerebral hypoxic episodes were predominantly associated with arterial hypocarbia and low cerebral perfusion pressure. Patients with a total of more than 30 minutes of cerebral hypoxic events had a significantly worse neurological outcome. Future investigations using cerebral microdialysis will help to further improve insight into pathophysiology and metabolic changes following traumatic brain injury.