Würzburg, Universiẗat, Diss., 2008.

University, Diss., 2005--Freiburg (Breisgau).

Komplexstrukturen können über NMR-Experimente aufgeklärt werden, die intermolekulare Wechselwirkungen über den Raum detektieren können. Meist kommen dabei NOE- bzw. ROE-Experimente und Weiterentwicklungen dieser Sequenzen zum Einsatz. Auch mit einfachen Versuchen, wie der Bestimmung der Veränderung der chemischen Verschiebungen bei Komplexierung, lassen sich wertvolle Strukturinformationen gewinnen. Durch die Bindung eines Liganden an ein Makromolekül ändern sich viele NMR-spezifische Parameter des Liganden. Dazu gehören NMR-Relaxationszeiten und Diffusionskoeffizienten mit deren Hilfe sich Dissoziationskonstanten der Komplexe ermitteln lassen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Möglichkeiten der Identifizierung und Charakterisierung von Ligand-Makromolekül-Interaktionen mittels NMR-Spektroskopie. Drei unterschiedliche Fragestellungen wurden bearbeitet. Einfluss von Harnstoff auf beta-Cyclodextrin-Einschlusskomplexe mit Dipeptiden: Bei kapillarelektrophoretischen Enantiomerentrennungen von Dipeptiden mittels beta-Cyclodextrin kommen häufig sehr hohe Konzentrationen an Harnstoff zum Einsatz, um die Wasserlöslichkeit des beta-CD zu verbessern. Dabei wird die eventuelle Beteiligung des Harnstoffs am Komplex oftmals außer Acht gelassen. Durch den Einsatz unterschiedlichster NMR- und Simulations-Techniken konnte die Beteiligung des Harnstoffs an dem Komplex untersucht und aufgeklärt werden. Relaxationsstudien von Fluorchinolonen mit Micrococcus luteus: Ziel dieser Versuchsreihe war es, anhand von longitudinalen und transversalen Relaxationsmessungen Einblick in das Bindungsverhalten von Fluorchinolonen (Gyrasehemmer) an Bakterienzellen zu erhalten. Mittels der Bestimmung von selektiven 1H-T1-Zeiten in Abhängigkeit des Antibiotikum/Bakterien-Verhältnisses konnten Dissoziationskonstanten der untersuchten Pharmaka an die Bakterienzelle ermittelt werden. Desweiteren wurden 19F-Spin-Spin-Relaxationsexperimente durchgeführt. Proteinbindungsstudien von Gyrasehemmern an BSA: Durch die Bindung von Fluorchinolonen an bovines Serumalbumin ändern sich die scheinbare Molekülmasse und der hydrodynamische Radius des Arzneistoffs stark. Durch selektive T1-Relaxationsmessungen konnten für drei Gyrasehemmer mit unterschiedlichen Proteinbindungseigenschaften die jeweiligen Dissoziationskonstanten an das Albumin ermittelt werden. Eine weitere Möglichkeit Dissoziationskonstanten zu bestimmen war es, Diffusionskoeffizienten bei unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen zu bestimnmen. Über die Ermittlung sogenannter „Affinitätsindices“ war es möglich, die Stärke der Proteinbindung zu charakterisieren. Um den Effekt unterschiedlicher Korrelationszeiten verschiedener Kerne auszumitteln, wurde eine Normalisierung dieser Indices durchgeführt. Auch die Werte dieser Affinitätsindices gaben die Stärke der Proteinbindung der unterschiedlichen Antibiotika sehr gut wider. / The structure of a complex can be clarified by NMR-experiments, which detect intermolecular interactions through space e.g. NOE- and ROE-experiments or further developments of these techniques. Beside these, the determination of the chemical shifts provides useful structural informations. Upon binding to a macromolecule, several NMR-parameters of a small ligand change dramatically. This includes parameters such as different NMR-relaxation times and diffusion coefficients which can be used to determine dissociation constants. The present thesis deals with the possibility of identification and characterization of complexes by NMR-spectroscopy. Three different problems were investigated. Influence of urea to beta-cyclodextrin inclusion complexes with dipeptides: Due to the limited aqueous solubility of beta-CD, enantioseparations utilizing beta-CD as chiral selector are often performed in buffers containing high concentrations of urea. Therefore, the involvement of urea in the constitution of the complex should be kept in mind. In this project the influence of urea was investigated and elucidated by using different NMR- and simulation techniques. Relaxation studies of fluoroquinolones with Micrococcus luteus: The main goal of this investigation was to get an insight in the binding behaviour of fluoroquinolones to a bacterial cell by performing longitudinal and transversal relaxation experiments. Using the determination of selective 1H-T1-relaxation times in dependence of varying the antibiotic/bacteria-relation, dissociation constants of the antibiotic to bacterial cells could be identified. Furthermore, 19F-spin-spin-relaxation experiments were performed. Protein binding studies of fluoroquinolones to BSA: By binding of the fluoroquinolones to bovine serum albumin the apparent molecular mass and the hydrodynamic radius of the ligand strongly change. In this project dissociation constants of three different fluoroquinolones with different binding characteristics were determined by measuring selective relaxation rates. Another possibility to assess dissociation constants of fluoroquinolons was the determination of the antibiotics diffusion constants at different concentration levels. The determination of the so called “affinity indices” offered a further possibility to evaluate the degree of protein binding. To eliminate the effect of different correlation times of different nuclei, a normalization of the affinity indices was performed. The fitted affinity indices also reflect the protein binding of the antibiotics properly.

Das Ziel der Arbeit war es, Skalenverhalten und Lösungseigenschaften von flexiblen Dendrimeren als Modell für hochverzweigte Polymere zu untersuchen. Als Untersuchungsmethode wurde die gepulste Feldgradienten NMR (PFG-NMR) eingesetzt, um das hydrodynamische Verhalten der Dendrimere in Lösung zu erforschen. Aus der Konzentrationsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten konnte abgeleitet werden, dass das Verhalten der PAMAM-Dendrimere dem von Proteinen ähnelt, die Dendrimere also starr und globulär sind. Um die Abhängigkeit des hydrodynamischen Radius von der Molmasse zu untersuchen, kamen Lösungen von mehreren Generationen PAMAM-Dendrimeren mit verschiedenen Endgruppen zum Einsatz. Mit PFG-NMR wurden die Diffusionskoeffizienten bestimmt, aus denen die hydrodynamischen Radien nach der Stokes-Einstein-Beziehung berechnet wurden. Ein Skalenansatz lieferte die beste Beschreibung der Daten für alle drei untersuchten Systeme. Die ermittelten Skalenexponenten waren u = 3,7 für alle untersuchten PAMAM-Dendrimere. Dies bedeutet, dass deren Wachstum im dreidimensionalen Raum begrenzt ist, da der Skalenexponent einen Wert größer drei annimmt. Die Art der Endgruppen hatte in diesem Fall keinen erkennbaren Einfluss auf das Skalenverhalten. An Lysin-Dendrimeren wurde der Einfluss der Kernfunktionalität auf den Skalenexponenten untersucht. Die Lysin-Dendrimere standen als Monodendren (Kernfunktionalität, KF=1) und als Dendrimere mit einem Thiacalixaren-Kern (Thia1: KF=2, Thia2: KF=4) zur Verfügung. Die Skalenexponenten waren folgende: Für das Monodendron war u = 2,0, für Thia1 war u = 2,3 und Thia2 hatte einen Skalenexponent von u = 3,9. Da die Dendren in allen drei Fällen identisch waren, muss dieser Unterschied durch den Kern begründet sein. Weiter wurde die effektive Ladung von PAMAM-COONa G1,5 Dendrimeren in verdünnter D2O-Lösung als Funktion des pH-Werts mit Hilfe von Elektrophorese-NMR untersucht. Dabei änderte diese sich von Zeff = -5 e bei pH 12,6 zu Zeff = +5 e bei pH 1,8.

Das Ziel der Arbeit war es, Skalenverhalten und Lösungseigenschaften von flexiblen Dendrimeren als Modell für hochverzweigte Polymere zu untersuchen. Als Untersuchungsmethode wurde die gepulste Feldgradienten NMR (PFG-NMR) eingesetzt, um das hydrodynamische Verhalten der Dendrimere in Lösung zu erforschen. Aus der Konzentrationsabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten konnte abgeleitet werden, dass das Verhalten der PAMAM-Dendrimere dem von Proteinen ähnelt, die Dendrimere also starr und globulär sind. Um die Abhängigkeit des hydrodynamischen Radius von der Molmasse zu untersuchen, kamen Lösungen von mehreren Generationen PAMAM-Dendrimeren mit verschiedenen Endgruppen zum Einsatz. Mit PFG-NMR wurden die Diffusionskoeffizienten bestimmt, aus denen die hydrodynamischen Radien nach der Stokes-Einstein-Beziehung berechnet wurden. Ein Skalenansatz lieferte die beste Beschreibung der Daten für alle drei untersuchten Systeme. Die ermittelten Skalenexponenten waren u = 3,7 für alle untersuchten PAMAM-Dendrimere. Dies bedeutet, dass deren Wachstum im dreidimensionalen Raum begrenzt ist, da der Skalenexponent einen Wert größer drei annimmt. Die Art der Endgruppen hatte in diesem Fall keinen erkennbaren Einfluss auf das Skalenverhalten. An Lysin-Dendrimeren wurde der Einfluss der Kernfunktionalität auf den Skalenexponenten untersucht. Die Lysin-Dendrimere standen als Monodendren (Kernfunktionalität, KF=1) und als Dendrimere mit einem Thiacalixaren-Kern (Thia1: KF=2, Thia2: KF=4) zur Verfügung. Die Skalenexponenten waren folgende: Für das Monodendron war u = 2,0, für Thia1 war u = 2,3 und Thia2 hatte einen Skalenexponent von u = 3,9. Da die Dendren in allen drei Fällen identisch waren, muss dieser Unterschied durch den Kern begründet sein. Weiter wurde die effektive Ladung von PAMAM-COONa G1,5 Dendrimeren in verdünnter D2O-Lösung als Funktion des pH-Werts mit Hilfe von Elektrophorese-NMR untersucht. Dabei änderte diese sich von Zeff = -5 e bei pH 12,6 zu Zeff = +5 e bei pH 1,8.

Aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen zeigen Nanopartikel interessante, größenabhängige Eigenschaften, die man im ausgedehnten Festkörper nicht beobachtet. Sie sind daher von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse. Die Herstellung kleinster Partikel ist aus diesem Grund überaus wünschenswert. Dieses Ziel kann mit Hilfe von Mikroemulsionen als Templatphasen bei der Herstellung von Nanopartikeln erreicht werden. Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabile, transparente und isotrope Mischungen von Wasser und Öl, die durch einen Emulgator stabilisiert sind. Sie können eine Vielzahl verschiedener Mikrostrukturen bilden. Die Kenntnis der einer Mikroemulsion zugrunde liegenden Struktur und Dynamik ist daher von außerordentlicher Bedeutung, um ein gewähltes System potentiell als Templatphase zur Nanopartikelherstellung einsetzen zu können.<br><br> In der vorliegenden Arbeit wurden komplexe Mehrkomponentensysteme auf der Basis einer natürlich vorkommenden Sojabohnenlecithin-Mischung, eines gereinigten Lecithins und eines Sulfobetains als Emulgatoren mit Hilfe der diffusionsgewichteten 1H-NMR-Spektroskopie unter Verwendung gepulster Feldgradienten (PFG) in Abhängigkeit des Zusatzes des Polykations Poly-(diallyl-dimethyl-ammoniumchlorid) (PDADMAC) untersucht. Der zentrale Gegenstand dieser Untersuchungen war die strukturelle und dynamische Charakterisierung der verwendeten Mikroemulsionen hinsichtlich ihrer potentiellen Anwendbarkeit als Templatphasen für die Herstellung möglichst kleiner Nanopartikel.<br><br> Die konzentrations- und zeit-abhängige NMR-Diffusionsmessung stellte sich dabei als hervorragend geeignete und genaue Methode zur Untersuchung der Mikrostruktur und Dynamik in den vorliegenden Systemen heraus. Die beobachtete geschlossene Wasser-in-Öl- (W/O-) Mikrostruktur der Mikroemulsionen zeigt deutlich deren potentielle Anwendbarkeit in der Nanopartikelsynthese. Das Gesamtdiffusionsverhalten des Tensides wird durch variierende Anteile aus der Verschiebung gesamter Aggregate, der Monomerdiffusion im Medium bzw. der medium-vermittelten Oberflächendiffusion bestimmt. Dies resultierte in einigen Fällen in einer anormalen Diffusionscharakteristik. In allen Systemen liegen hydrodynamische und direkte Wechselwirkungen zwischen den Tensidaggregaten vor.<br><br> Der Zusatz von PDADMAC zu den Mikroemulsionen resultiert in einer Stabilisierung der flüssigen Grenzfläche der Tensidaggregate aufgrund der Adsorption des Polykations auf den entgegengesetzt geladenen Tensidfilm und kann potentiell zu Nanopartikeln mit kleineren Dimensionen und schmaleren Größenverteilungen führen. / Owing to their large surface-to-volume ratio nanoparticles show interesting size-dependent properties that are not observable in bulk materials. Thus, they are of great scientific and technological interest. Thereby, the highly desirable preparation of as small particles as possible might be easily achieved using microemulsions as template phases. Microemulsions are thermodynamically stable, transparent and isotropic mixtures of water and oil stabilized by an emulsifying agent. However, microemulsions may form a great variety of different microstructures. Thus, it is of utmost importance to know the underlying microstructure and microdynamics of a chosen microemulsion system in order to use it as a template phase for nanoparticle formation.<br><br> In the present study complex multi-component microemulsion systems based on a naturally occurring soybean lecithin mixture, purified lecithin and sulfobetaine as emulsifiers were investigated by diffusion-weighted pulsed field gradient (PFG) 1H NMR spectroscopy in the presence and absence of the polycation poly-(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC). The central topic of this study was to structurally and dynamically characterize the present microemulsions with respect to their potential use in nanoparticle formation.<br><br> The concentration- and time-dependent NMR diffusion measurements turned out to be a suitable and accurate tool to investigate the microstructure and microdynamics of the systems under investigation. They reveal closed water-in-oil (W/O) microemulsion microstructures which prove the potential suitability of the respective systems as template phases for the preparation of nano-sized particles. The overall diffusion behavior of surfactants were found to be governed by varying contributions from displacements of entire aggregates, monomer diffusion in the medium and bulk-mediated surface diffusion, respectively. In some cases this led to a marked anomalous diffusion characteristics. In all systems interactions between aggregates are dominated by hydrodynamic and direct forces.<br><br> The addition of PDADMAC to the microemulsion systems results in a stabilization of the liquid interface of surfactant aggregates due to the adsorption of the polycation at the oppositely charged surfactant film and may potentially lead to nanoparticles of smaller dimensions and narrower size distributions.