Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2004--Köln.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Les glioblastomes sont des tumeurs cérébrales qui sont extrêmement agressives, et qui, en dépit de l'arsenal thérapeutique (chirurgie, radiothérapie ou chimiothérapie), ne laissent pas plus de 16 mois d'espérance de vie aux patients. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'utiliser certaines toxines en tant que vecteurs pour l'administration de médicaments anticancéreux, et notamment pour le traitement du gliome. Les travaux présentés ici se concentrent sur l’utilisation de variants de la maurocalcine (MCa) et des analogues de la chlorotoxine (CTX). La MCa est une toxine issue du venin du scorpion Scorpio maurus palmatus, qui est capable de pénétrer dans les cellules facilement et rapidement. Il a été prouvé que la MCa peut entrer dans la cellule avec une cargaison. C’est en exploitant cette capacité présente chez deux de ces variants que nous avons synthétisé avec succès deux nouveaux composés à base de cette toxine avec de la doxorubicine et un dérivé du platine. Les études de toxicité et de caractérisation de ces composés qui ont été réalisé on permit de mettre en évidence l’intérêt et le potentiel de la MCa. La seconde partie de ces travaux de thèse portée sur la CTX et des peptides semblables, également extrait de venin de scorpion. Ils ont la particularité de fixer / interagir uniquement avec les cellules cancéreuses d'origine gliale. Après une rapide caractérisation de ces analogues de la CTX, l’un d’eux la Lqh-8/6 a été utilisé avec succès pour l'administration ciblée de doxorubicine. L’ensemble des travaux menés durant cette thèse constitue une base de départ solide pour une amélioration des systèmes de vectorisation, surtout en cancérologie de molécules actives. De plus ces résultats mettent aussi en avant l’avantage de l’utilisation d’un système de couplage « universel » basé sur la chimie click. / Glioblastoma are cerebral tumors that are extremely aggressive, and that, in spite of a battery of therapeutic interventions (surgery, radiotherapy or chemotherapy), leave no more than 16 months life expectancy to the patients. As part of this thesis, we propose to use some selected toxins as vectors for the delivery of anticancer drugs, and namely for the treatment of glioma. The works presented here concentrate on the use of variants of maurocalcine (MCa) and the analogues of chlorotoxine (CTX). MCa is a toxin from of the scorpion Maurus palmatus that has cell penetrating propriety. It has been proved that MCa can enter the cell with cargoes. While exploiting this present capacity to two of these variants we synthesized successfully two new compounds with this toxin with the doxorubicine and a by-product of the platinum. Toxicity studies and characterization of these compounds that have been made were permitted to highlight the interest and potential of the MCa. The second part of the thesis work focused on the CTX and similar peptides, also extracted from scorpion venom. They have the particularity to fix/ interact only with cancer cell from neuroectodermal origin. After a fast characterization of these analogues of CTX, one of them (Lqh-8/6) was successfully used for the targeted administration of doxorubicin. All work conducted during this thesis constitutes a solid starting point for an improvement of the systems of vectorization of active molecules, especially in cancer research Moreover, these results also emphasize the advantage of the use of a system of "universal" coupling based on the click chemistry.

Dünne Eisen-Platin-Schichten sollen zukünftig in verbesserten magnetischen Speichermedien zum Einsatz kommen. Die Einflüsse einer zusätzlichen Kupferschicht sowie verschiedener RTA-Behandlungstemperaturen auf das FePt-Cu-Schichtsystem wurden mittels Röntgenbeugung und Röntgenreflektometrie untersucht.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Übergangsmetall-katalysierte Diborierung verschiedener ungesättigter Substrate untersucht. Die Diborierung von Dialkinen ermöglichte die Synthese einer Reihe neuer Verbindungen, welche sich in drei Gruppen einteilen lassen: i) Einkernige [4]Diboradicarbaferrocenophane, die zusätzlich entweder direkt oder über einen Spacer eine CC Dreifachbindung tragen; ii) zweikernige Komplexe, bei denen das [4]Ferrocenophanfragment über die zweite CC Dreifachbindung an ein niedervalentes Platinfragment koordiniert ist und iii) zweikernige Bis [4]diboradicarbaferrocenophane durch die Diborierung beider Dreifachbindungen des Dialkins. Von den vier Vertreter von Gruppe i) ist bei zweien die zweite CC Dreifachbindung direkt an die Bis(boryl)alkeneinheit gebunden, während bei den anderen eine Spacergruppe vorhanden ist. Die Darstellung der Komplexe kann entweder durch katalytische Diborierung der Dialkine durch [Fe{C5H4B(NMe2)}2] oder durch direkte Umsetzung mit [Fe{C5H4B(NMe2)}2Pt(PEt3)2] erfolgen. Hingegen führt die Umsetzung von [Fe{C5H4B(NMe2)}2Pt(PEt3)2] mit äquimolaren Mengen Dialkin zur Bildung der zweiten Verbindungen von Gruppe ii). Hier ist die zweite CC Dreifachbindung an ein [Pt(PEt3)2] Fragment koordiniert, wodurch ein Platinalkinkomplex entsteht. Unter den Produkten der Gruppe iii) sind zuerst die Komplexe zu nennen, die zwei Ferrocenophangruppen tragen. Die so synthetisierten Produkte weisen jeweils zwei chirale Ebenen auf und wurden deshalb als Diastereomerenpaare erhalten. Es konnte gezeigt werden, dass die einzelnen Diastereomere durch Erhitzen in Lösung ineinander umgewandelt werden können. Mittels DFT-Rechnungen konnte zudem ein plausibler Mechanismus aufgedeckt werden. Neben den Bis [4]ferrocenophanen wurde ein Komplex dargestellt, in dem ein [4]Diboradicarbaferrocenophanfragment über eine Spacerfunktion an einen entsprechenden von Bis(benzol)chrom abgeleiteten Metalloarenophanrest gebunden ist. Weiterhin wurden durch Umsetzung von [Pt(PEt3)3] mit den entsprechenden Dialkinen in unterschiedlicher Stöchiometrie jeweils drei einkernige bzw. zweikernige Platinalkinkomplexe sowie ein Platinalkenkomplex synthetisiert. Die IR-spektroskopischen Untersuchungen legen die Formulierung als Platinacyclopropene bzw. Platinacyclopropane nahe. Durch die Diborierung von Isocyaniden konnte unter bemerkenswert milden Reaktionsbedingungen eine Reihe von chiralen, einkernigen Bis(boryl)iminokomplexen dargestellt werden. Die Synthese verläuft entweder durch direkte Umsetzung der Diborane(4) mit den entsprechenden Isocyaniden oder, mit verlängerten Reaktionszeiten auch durch Diborierung der Isocyanide mittels der entsprechenden [3]Metalloarenophane. Durch Umsetzung von [2]Borametalloarenophanen mit Diisocyaniden konnten zudem verschiedene zwei- bzw. dreikernige Bis(boryl)iminokomplexe zugänglich gemacht werden. Die hierzu ausgewählten Diisocyanide tragen wiederum eine Spacereinheit zwischen den beiden NC Funktionalitäten. Genau wie bei den Reaktionen von Dialkinen treten auch hier die Produkte als Paare von Diastereomeren auf. Ein weiteres Projekt beschäftigte sich mit der oxidativen Addition von [Fe{C5H4B(NMe2)}2] an verschiedene Übergangsmetallkomplexe. Die Umsetzungen führten allerdings in keinem Fall zur Bildung der gewünschten Bis(boryl)metallkomplexe. Bei verschiedenen Platinkomplexen kann jedoch die Bildung eines einheitlichen Produkts beobachtet werden. Es wird deshalb in Übereinstimmung mit den spektroskopischen Daten vermutet, dass es sich dabei um ein [2.2]Diboraferrocenophan handelt. Eine saubere Isolierung des Produkts gelingt jedoch nicht, weshalb der strukturelle Nachweis bislang nicht geführt werden kann. Abschließend konnte dabei gezeigt werden, dass mehrtägiges Erhitzen von [Fe{C5H4B(NMe2)}2Pt(PEt3)2] in Lösung hochselektiv zur Bildung des mutmaßlichen [2.2]Diboraferrocenophans führt. Weiterhin ist auch die Umsetzung von [Fe{C5H4B(NMe2)}2] mit katalytischen Mengen [Pt{P(CH2Cy)3}2] erfolgreich, führte jedoch nicht zu einer Isolierung des Produkts in Substanz. / In the course of this work the transition metal-catalyzed diboration of unsaturated substrates has been studied in detail, while the main part was concerned with the functionalization of dialkynes. A number of new compounds were prepared featuring one of the following structural motifs: i) mononuclear [4]diboradicarbaferrocenophanes bound to a pendant CC triple bond either directly or via spacer, ii) related dinuclear complexes, in which the adjacent triple bond is coordinated toward a low-valent platinum fragment, and iii) dinuclear bis [4]diboradicarbaferrocenophanes formed by double diboration of the dialkyne. Four representatives of the first group were synthesized; two of them having the second CC triple bond bound directly to the bis(boryl)alkene unit, while for the other two a spacer group is present. The preparation of the complexes can either be accomplished by diboration via [Fe{C5H4B(NMe2)}2] using a catalytic amount of [Pt(PEt3)3] or by direct functionalization of the dialkynes with the [Fe{C5H4B(NMe2)}2Pt(PEt3)2]. Two species of the group ii) were obtained by reaction of the dialkynes with an equimolar amount of [Fe{C5H4B(NMe2)}2Pt(PEt3)2]. In this case, the second triple bond of the dialkyne is coordinated to a [Pt(PEt3)2] fragment, thus forming a platinum alkyne complex. Among the products of the last group are complexes bearing two ferrocenophane fragments featuring two chiral planes each and, therefore, being formed as pairs of diastereomers. The single diastereomers can be interconverted by heating in solution. A plausible mechanism was deduced from DFT calculations. Along with these bis [4]ferrocenophanes, a complex was synthesized in which the [4]ferrocenophane fragment is bound to a metalloarenophane moiety derived from bis(benzene)chromium via a spacer unit. In addition, the reaction of [Pt(PEt3)3] with the aforementioned dialkynes was studied for different stoichiometries, yielding three mononuclear and three dinuclear platinum alkyne complexes along with one platinum alkene complex. IR spectroscopic data suggest the formulation as platinacyclopropenes or –propane, respectively. Four mononuclear, chiral bis(boryl)imines were obtained by diboration of two different dialkynes under remarkably mild reaction conditions. The synthesis can be conducted either directly by reacting the diboranes(4) with the respective isocyanide, or  with prolonged reaction times – by diboration of the isocyanide via the corresponding [3]metalloarenophanes, respectively. The reaction of the [2]borametalloarenophanes with diisocyanides led to a series of dinuclear and trinuclear bis(boryl)imines. The chosen diisocyanides have a spacer unit between the two NC functionalities. In analogy to the related reactions with dialkynes, the products were formed as pairs of diastereomers. The oxidative addition of [Fe{C5H4B(NMe2)}2] toward different transition-metal complexes was also studied. However the formation of the envisaged bis(boryl)metal complexes could not be observed in any case. Interestingly, for different three platinum complexes a well-defined product was formed. In agreement with the spectroscopic parameters, the product most probably represents a [2.2]diboraferrocenophane, the formal dimerization product of [Fe{C5H4B(NMe2)}2]. Thus, heating [Fe{C5H4B(NMe2)}2Pt(PEt3)2] in solution for several days afforded this product highly selective. The reaction of [Fe{C5H4B(NMe2)}2] with catalytic amounts of [Pt{P(CH2Cy)3}2] leads to the same result. However, the product could not be isolated analytically pure.

Les télomères sont des structures nucléoprotéiques localisées aux extrémités des chromosomes. Ils jouent un rôle important dans le maintien de l’information génétique, la stabilité et la protection des extrémités chromosomiques. Les télomères sont composés de séquences d’ADN répétées riches en guanines (TTAGGG) et des protéines télomériques qui les protègent. Parmi celles-ci, TRF1 et TRF2 se fixent directement sur le double brin. Toute modification de la structure des télomères (composition en protéines télomériques, raccourcissement de leur longueur, dommages) peut entrainer la mort des cellules cancéreuses. Ainsi les télomères sont considérés comme des cibles thérapeutiques. Etant riches en guanines adjacentes, les télomères sont donc des cibles potentielles du cis-platine, agent pharmacologique utilisé dans le traitement d’un certain nombre de tumeurs. Nous avons analysé, sur deux lignées de cancer d’ovaire A2780 sensibles et résistantes au cis- platine, les modifications éventuelles de la structure de leurs télomères après traitement par le cis-platine et quantifié le cis-platine fixé au niveau des télomères afin de déterminer s’il pourrait être l’origine de ces perturbations. Suite au traitement par le cis-platine, une délocalisation de TRF2 des télomères (maximum 55%) a été mise en évidence dans les deux lignées, accompagnée de dommages au niveau des télomères (2-3 dommages/cellule) mais elle est cependant insuffisante pour induire leur raccourcissement. Ensuite, la quantification par ICP-MS du cis-platine fixé au niveau de l’ADN télomérique purifié montre que le cis-platine se fixe bien au niveau des télomères. Cependant cette quantité fixée est 5 fois moins importante que celle trouvée au niveau de l’ADN génomique et 12 fois moins importante que celle attendue d’après les études in vitro, suggérant que les guanines de l’ADN télomérique sont moins accessibles que celles de l’ADN génomique. D’autre part, la quantité de cis-platine fixé par base est trop faible pour expliquer le déplacement de TRF2. Ces résultats suggèrent que la fixation du cis-platine au niveau des télomères ne peut donc pas être le mécanisme majoritaire responsable du déplacement de TRF2 des télomères et de la mort des cellules. Ce travail ouvre ainsi la voie à la conception de nouveaux complexes anti-tumoraux de platine qui cibleraient plus spécifiquement les télomères des cellules cancéreuses afin de les déstructurer plus efficacement. / Telomeres are nucleoprotein structures located at the ends of chromosomes. They play an important role in the maintenance of the genetic information, the stability and protection of chromosome’s ends. Telomeres consist of repeated DNA sequences G-rich (TTAGGG)n, and telomeric proteins that protect them. Among them, TRF1 and TRF2 bind directly to double-stranded. Any change in the structure of telomeres (telomeric protein composition, shortening their length, damage) can cause the death of cancer cells. Thus telomeres are considered as therapeutic targets. Since they are rich in adjacent guanines, telomeres are therefore potential targets for cis-platin, a pharmacological agent used in the treatment of a certain number of tumours. We looked for, at the cellular level, using two lines of ovarian cancer A2780: sensitive and resistant to cis-platin any changes in the structure of their telomeres after cis-platin treatment. And we checked the amount of cis-platin bound to telomeres to determine if it could be the cause of these perturbations. Following treatment with cis-platin, a delocalisation of TRF2 from telomere (maximum 55%) was observed within both cell lines, with damages at telomeres (2-3 damages / cell). But it is still not enough to induce their shortening. Then, the quantification by ICP-MS of the cis-platin fixed at purified telomeric DNA, shows that cis-platin binds well at telomeres. However, this amount is 5 times less than that the one found at genomic DNA and 12 times less than the one expected from in vitro studies, suggesting that the guanines of the telomeric DNA are less accessible than those of the genomic DNA. On the other hand, the amount of cis-platin bound by base is too small to explain the displacement of TRF2. So, these results suggest that the binding of cis-platin at telomeres cannot be the principal mechanism responsible of cell death, and that the displacement of TRF2 from telomere is not related directly to this phenomenon. Thus, this work opens the way for the design of new anti-tumour platinum complexes that target telomeres of cancer cells more specifically, in order to induce more efficiently their dysfunction.

This thesis was inspired by the discovery of Bi14Rh3I9, the first so-called weak three-dimensional topological insulator (3D-TI) and has been concerned with the topic of TIs in general. Two aspects were tackled to gain a deeper understanding of this new state of matter. On one hand, the expansion of the material’s basis and on the other hand developing a simple model of the structure and analysing it via density-functional theory (DFT) based methods. To discover new materials, a systematic investigation of the metal-rich parts of the bismuth–platinum-metal–iodine phase systems was conducted. It led to six new phases among the bismuth subiodides. Some of which, e.g. Bi14Rh3I9, share a honeycomb network of platinum-metal-centred bismuth-cubes and are the seed of a family of materials with this structural motive. The others show strand-like structures or layered structures with platinum-platinum bonds. The latter were so far unknown amongst bismuth subiodides. The honeycomb network was separately analysed and shown to host the TI properties. Structurally and electronically it can be seen as a “heavy graphene analogue”, which refers to the fact that graphene with hypothetical strong spin-orbit coupling (“heavy graphene”) was the first TI put forward by theoreticians. Apart from DFT-calculations, physical experiments confirmed the TI properties. Angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) was used to verify the electronic structure and scanning tunnelling microscopy and spectroscopy (STM and STS) to reveal the protected 1D edge states present at the cleaving surface of this material. As the arrangement of the honeycomb layer varies between the different known and newly discovered materials within this family of structures, this influence was also investigated. All further materials were also characterised by DFT-calculations and physical experiments, e.g. magnetisation and transport measurements. This thesis might give an experimental and theoretical basis for a deeper understanding of the TI state of matter. The 1D edge states on the surface of Bi14Rh3I9 could be a chance to handle spins and therefore propel spintronic research, or they could host Majorana fermions, which could be used as qubits in quantum computing.

Die Identifizierung von Apoptose-modifizierten Proteinen erfolgte durch Proteomanalyse per 2D-Gelelektrophorese und Massenspektrometrie. Zunächst wurde eine 2DE-Datenbank errichtet, die im Internet zugänglich ist. Die Identifikation von Proteinen durch Peptidmassenfingerabdruck konnte durch Verwendung einer zweiten Matrix verbessert werden. Die Analyse ausgelassener tryptischer Spaltstellen, N-terminaler Pyroglutamatbildung und Oxidation von Tryptophan konnte die Identifikation von Proteinen mittels Peptidmassenfingerabdruck verbessern. Die Apoptose wurde über den Fas-Rezeptor-Signalweg oder durch DNA-Schädigung mittels Cis-Platin eingeleitet und das Totallysat oder die Kompartimente von Jurkat T-Zellen der Proteomanalyse unterworfen. Große Übereinstimmungen der beiden Prozesse wurden festgestellt. 95 Apoptose-modifizierte Proteine wurden identifiziert, wovon 78 Proteine bisher unbekannt für den Apoptoseprozess waren. Auffällig war, dass 40 % der Proteine RNA-Bindungsmotive enthielten und das 21 Onkoprotein oder Onkoprotein-interagierende Proteine identifiziert wurden. Für 39 Proteine konnten bisher proteolytische Spaltungen vorausgesagt werden. Eine Fülle von Informationen wurde über putative Translokationen der Proteine erhalten. Für das Protein p54nrb wurden drei Caspase-3 Spaltstellen durch die Einführung von Mutationen und die Abhängigkeit der Caspase-3 Spaltung von RNA bewiesen. Mitochondriale ribosomale Proteine von Mensch, Maus und Ratte wurden durch Abgleichung von EST-Datenbanken mit partiellen Aminosäuresequenzen aus dem Rind bestimmt. Die Konservierung der Sequenzen der Säugetierproteine der mitochondrialen ribosomalen Proteinen war geringer als von den bekannten cytosolischen ribosomalen Proteinen. Weiterhin wurden unterschiedliche Ergebnisse bzgl. der mitochondrialen Signalsequenzen der Proteine gefunden. RNA-Protein-Wechselwirkungen im Ribosom wurden nach Quervernetzung auf einzelne Aminosäuen bzw. Nukleotide bestimmt. Die Daten wurden zur Verbesserung von ribosomalen Modellen verwendet. Die mittlerweile erhaltenen Kristallstrukturen des Ribosoms zeigten, dass die Ergebnisse der Quervernetzungsexperimente mit den tatsächlichen RNA-Protein-Wechselwirkungen weitgehend übereinstimmen. Die Affinität von verschiedenen Komponenten zu einem Zielmolekül zur Bildung von nicht-kovalenten RNA-Peptid-Wechselwirkungen wurde mit Hilfe von MALDI-MS ermittelt. Die Interaktionen sind stark abhängig von der Anzahl der Arginine. / Apoptosis-modified proteins were identified by proteome analysis via 2D gel electrophoresis and mass spectrometry. First, a internet-accessible 2DE database was rendered. The identification of the proteins by peptide mass fingerprinting was improved using a second matrix. The analysis of missed tryptic cleavage sites, the formation of N-terminal pyroglutamine and oxidation of tryptophan could improve the identification of proteins by peptide mass fingerprinting. Apoptosis was induced via the Fas-receptor signaling pathway or by means of DNA damage by cis-platin. The total lysate and the compartments of Jurkat T cells were analyzed by proteome analysis. High similarities between both processes were observed. 95 apoptosis-modified proteins were identified, 78 of these were until now unknown to be involved in apoptosis. Noticeable, 40% of the proteins include a RNA-binding motif and 21 oncogene or oncogene-interacting proteins were identified. A proteolytic cleavage could be predicted for 39 proteins. Some information was received about the putative translocation of the proteins. Three caspase-3 cleavage sites were shown for the protein p54nrb with the incorporation of mutations. Furthermore, the caspase-3 cleavage was dependent on the occurrence of RNA. Mitochondrial ribosomal proteins of human, mouse and rat were determined by screening of EST-databases with partial amino acid sequences from bovine. The conservation of sequences of mammalian proteins of the mitochondrial ribosomal proteins was less than for known cytosolic ribosomal proteins. Furthermore, different results were obtained considering mitochondrial signal sequences. RNA-protein interaction within the ribosome were determined on single amino acids and nucleotides, respectively, after cross-linking. These data were used to improve models of the ribosome. The in the meantime obtained 3D-structures of the ribosome showed high consistency with the revealed RNA-protein interaction sites after cross-linking. The affinity of different components to a target molecule to form RNA-peptide interactions was determined by MALDI-MS. The interactions were strongly dependent on the number of arginines.