Despite huge suffering caused by cutaneous leishmaniasis (CL), there is no effective and affordable treatment strategy against CL and no licensed vaccines. The current treatments show limited efficacy and high toxicity. Improved therapies through discovery of novel drugs and/or an alternative treatment approaches are/is urgently needed. We aimed at identifying a novel antileishmanial agent and developing an innovative nanoparticle (NP) based platform for safe and effective treatments against CL. We discovered that polyhexanide (PHMB), a widely used antimicrobial polymer and wound antisepsis, shows an inherent antileishmanial activity at submicromolar concentrations. PHMB appears to kill L. major parasites via a dual mechanism involving disruption of membrane integrity and selective chromosome condensation. However, host chromosomes binding appear to be limited by exclusion from mammalian cell nuclei. Moreover, we attempted to establish effective drug delivery systems that overcome the various shortcomings in the present treatment of CL. In this scenario, we initially studied the cellular interactions of NPs and their uptake mechanisms into mammalian cells before applying them in drug delivery system. We obtained clear evidence for the involvement of multiple endocytic routes to internalize NPs. Physicochemical properties of NPs, cell type, temperature and pathogenesis of the target diseases were shown to be determinant factors. Thereafter, a mechanism based host- and pathogen-directed combination therapy comprising PHMB and CpG ODN immunomodulator was established for overall synergistic effect against CL. It simultaneously targets the pathogen and the host immunity with effective delivery system. The results show that PHMB binds to CpG ODN and form stable nanopolyplexes for efficient cell entry and therapy. The nanopolyplexes displayed enhanced cellular uptake and antileishmanial potency while drastically reducing the toxicity against mammalian cells. In conclusion, our findings clearly indicate that PHMB can be used as effective candidate drug against CL and as non-viral delivery of immunomodulatorynucleic acids. Moreover, our proof-of concept study showed nanomedicine approaches are effective strategy to challenge CL and other human diseases. / Obgleich enorme Leiden mit der kutanen Leishmaniose einhergehen stehen bis dato keine wirkungsvollen und erschwinglichen Therapien oder zugelassene Impfstoffe zur Verfügung. Die derzeitigen Behandlungsmethoden sind kaum effektiv und zeichnen sich vor allem durch ihre enormen Nebenwirkungen aus. Aus diesem Grund ist die Erforschung neuartiger Wirkstoffe und Therapieansätze gegen kutane Leishmaniose zwingend notwendig. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entdeckung eines neuen antileishmanialen Wirkstoffes und die Etablierung eines innovativen und auf Nanopartikeln basierenden Verfahrens zur sicheren und effizienten Behandlung der kutanen Leishmaniose. Das Polyhexanid, welches bereits Verwendung als antimikrobielles Polymer und als Wundantiseptikum findet, weist bereits in submikromolaren Konzentrationen eine immanente antileishmaniale Wirkung auf. Den Beobachtungen zu Folge beeinflusst das Polyhexanid die Integrität der parasitären Zellmembran und führt zur selektiven Chromosomenkondensation des Parasiten Leishmania major. Eine potentielle Chromosomenmodifikation in der Säugetierzelle wird durch den Ausschluss des Polyhexanides aus dem Zellkern verhindert. Um die zahlreichen Mängel der aktuellen Behandlungsmethoden gegen kutane Leishmaniose zu überwinden, wurde zudem ein effizientes System der Wirkstoffabgabe etabliert. Diesbezüglich wurden zunächst die zellulären Wechselwirkungen der Nanopartikel und deren Aufnahme in die Säugtierzelle untersucht ehe diese als Vehikel für den Wirkstoff verwendet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die Nanopartikel über mehrere endozytische Wege internalisiert werden. Physikochemische Eigenschaften der Nanopartikel, der Zelltyp, die Temperatur und erregerspezifische Pathogenese gehören zu den beeinflussenden Faktoren. Daraufhin wurde eine Kombinationstherapie bestehend aus Polyhexaniden und dem unmethylierten Immunmodulator Zystein-Phosphat-Guanin Oligodeoxynukleotid mit synergistischen antileishmanialen Auswirkungen, etabliert. Dies gestattet eine gegen den Erreger zielgerichtete Behandlung und die zeitgleiche Stimulierung der Wirtsimmunität. Die Bildung eines stabilen Nanopolyplexes bestehend aus dem Polyhexanid und dem oben genannten Immunmodulator befähigen die effiziente Aufnahme in die Zelle und somit die Behandlung. Der Nanopolyplex ermöglicht eine verbesserte Aufnahme in die Zelle und antileishmaniale Wirksamkeit wohingegen die Toxizität gegenüber Säugetierzellen drastisch reduziert ist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Polyhexanide als effizienter Wirkstoffkandidat gegen kutane Leishmaniose und als nicht-viraler Träger von immunmodulatorischen Nukleinsäuren zu betrachten sind. Zugleich wurde gezeigt, dass die Nanomedizin einen wertvollen Beitrag zur Bekämpfung der kutanen Leishmaniose und sicherlich auch anderer Krankheitserregern leisten kann.

Kongenitale Bauchwanddefekte sind dramatische Fehlbildungen der vorderen Bauchwand. Zu den Defekten gehören neben der Nabelhernie und dem Blasenextrophie-Komplex im engeren Sinne die Gastroschisis und die Omphalozele. Die Therapie stellt die behandelnden Kinderchirurgen und Neonatologen vor eine große Herausforderung. Methode der Wahl ist der primär operative Bauchdeckenverschluss. Falls aufgrund der Größe des abdominellen Defekts oder der viszeroabdominellen Diskrepanz ein primärer Verschluss nicht möglich ist, wird eine Schusterplastik angelegt oder ein Patch implantiert. Bei den Implantaten unterscheidet man nicht-resorbierbare Materialien wie Polypropylen und Polytetrafluorethylene (GoreTex®) von resorbierbaren Patchs wie zum Beispiel humane Dura, porkine Dünndarmsubmukosa, oder azellularisiertes Rinderperikard (Lyoplant®). Die Ansprüche an ein solches Implantat sind hoch und das perfekte Material wurde bis heute noch nicht gefunden. Ideale Eigenschaften sind eine gute Handhabung und Nähbarkeit, Resorbierbarkeit, Anti-Adhäsivität zum Intestinum, Stabilität und Elastizität sowie die Transplantatakzeptanz. Ziel dieser Arbeit war die Etablierung bipolarer Polymermembranen zur sicheren und effektiven Therapie kongenitaler Bauchwanddfekten im Rattenmodell. Bei den Polymermembranen handelt es sich um zweischichtige Implantate, welche aus einem Film und einem aufgesponnen Vlies bestehen. Der Film besteht aus dem Resomer LR708, dem linearen PEG-PLA und dem Polyurethan CW1681. Der mittels Electrospinning auf den Film aufgebrachte Vlies ist aus reinem PLA. Die Implantate sind zwischen 20 und 67 µm dick. Als Vergleich diente das bereits im Klein- und Großtiermodell von Meyer et al. etablierte Kollagen-Mesh Lyoplant®. Als Versuchstiere des Experiments dienten n=34 männliche Wistar Furth Ratten, denen intraoperativ ein 2 x 2 cm großer Bauchwanddefekt zugeführt wurde, der anschließend mit einem gleich großen Patch verschlossen wurde. N=25 Tiere erhielten eine bipolare Polymermebran, n=2 Tiere Lyoplant und n=7 Ratten dienten zur Kontrolle. Nach 21 Tagen fand ein erneuter Eingriff statt. Hierbei wurde das Implantat samt umliegendem Gewebe explantiert und histologisch ausgewertet. Neben der Gewichtszunahme wurden die Ratten auf die Bildung von Hernien und intraabdominellen Adhäsionen sowie auf histologische Veränderungen untersucht. Von n=34 Ratten verstarben n=9 aus unterschiedlichen Gründen. Alle explantierten Wistar Furth Ratten (n=25) zeigten im dreiwöchigen postoperativen Verlauf (Δt=3 Wochen) physiologische Gewichtskurven. Alle Ratten mit Polymer-Implantat entwickelten im dreiwöchigen Verlauf eine abdominelle Hernie sowie Adhäsionen. Eine Zellinfiltration und Gefäßeinsprossung im Sinne einer Neovaskularisation konnte nicht nachgewiesen werden. Die histologische Auswertung ergab eine bindegewebige Veränderung im angren-zenden Gewebe, die zusammen mit der immunhistochemisch gesicherten hohen Anzahl an CD68 positiven Zellen (Makrophagen) einer Immunreaktion über den TH1-Pathway entspricht. Bei fehlender Integration in das Gewebe, kommt dies einer Implantatabstoßung gleich. In den Tieren mit Lyoplant® konnten wir die Ergebnisse von Meyer et al. bestätigen. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die bipolaren Polymermembranen viele Eigenschaften eines idealen biokompatiblen Materials erfüllen, jedoch aufgrund der fehlenden mechanischen Stabilität nicht zur Therapie von kongenitalen Bauchwanddefekten geeignet sind. Lyoplant® hingegen erwies sich in Bezug auf fehlende Hernienbildung und Adhäsionen, Gefäßeinsprossung und Trans-plantatakzeptanz im Vergleich zu den Polymeren als äußerst gut geeignetes Material. Um das operative Ergebnis weiter zu perfektionieren, könnte die Besiedelung des Kollagen-Meshs mit Stammzellen experimentell getestet werden. Inwieweit Lyoplant® dann für die Therapie der kongenitalen Bauchwanddefekte geeignet ist, müssen weitere klinische Studien zeigen. / Background: Congenital defects of the abdominal wall propose a challenging problem for pediatric surgeons. Today because of improved clinical know-how and the possibility of early operative intervention, the survival rates are about 90-100%. However, the long-range outcome is limited by an intense cicatrization and a loss of function in the replaced tissue. One of the key reasons is the lack of appropriate material for wound closure, which guarantees a high mechanical stability and is accepted by the children’s immune system. Furthermore, it should be absorbable to prevent other operations. Methods: In cooperation with the Department of FMZ we fabricated different kinds of PEG-PLA-copolymers and implantated these in an abdominal wall defect rat model, in comparison a biocompatible collagen-mesh was used. After 3 weeks, the abdomen was reopened and checked for adhesions. Afterwards the initial implant and the neighboring host tissue were resected for histological and immunohistochemical examination. Results: There were no technical difficulties in implanting all the different materials. Neither the rats with the collagen-mesh nor the control group’s animals developed a hernia. Adhesions were found in the animals with PEG-PLA copolymers. There were no adhesions in rats with collagen-mesh. The PLA-copolymers did not show any signs of cell infiltration or neovascularization, whereas the collagen-mesh did. The light microscopic analysis of the PEG-PLA copolymers didn’t show any cell infiltration in H&E or Goldner’s stain. However, the collagen-mesh presented cell infiltration and neovascularization. Conclusion: In summary, PEG-Polymers have many properties of an ideal biocompatible material but do not possess the most important property, namely, sufficient mechanical stability. Again, the collagen-mesh successfully proved its suitability. In comparison to the PEG-Polymers, it convinced in the endpoints adhesion, abdominal hernia, transplant acceptance with neovascularization and cell infiltration.

Today tumour diseases are the second most cause of death in Western countries. But only 45 percent of the patients can be cured by the established treatment methods. The further improvement of the these forms of therapy and the development of new therapeutical approaches is urgent. A substantial proportion of the patients could benefit from particle therapy with heavy ions. Beams of accelerated heavy ions (e.g. carbon, nitrogen or oxygen) with an energy between 70 and 500 AMeV are characterised by physical and biological properties superior to the radiation used in conventional radiotherapy (photons, electrons, neutrons). They form a sharp dose maximum (Bragg peak) shortly before coming to rest and are scarcely scattered while penetrating tissue. Because of the increased relative biological efficiency of these ions in the Bragg peak region they are suitable for precision therapy of deeply seated, compact, radioresistant tumours near to organs at risk. For a safe application of heavy ions close to radiosensitive structures (brain stem, optical nerves, eyes) an in situ monitoring of the therapy is desirable. This can be accomplished by positron emission tomography (PET), since fragmentation reactions between the stable ions of the therapy beam and the atomic nuclei of the tissue generate a dynamic spatial distribution of positron emitters (ß+-emitters) that can be observed by a positron camera. At the Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt a medical treatment site for heavy ion therapy has been established in co-operation with the Radiologische Universitätsklinik Heidelberg, the Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg and the Forschungszentrum Rossendorf. The fast variation of the beam energy in conjunction with the vertical and horizontal beam deflection by dipole magnets (raster scanning) allows the three-dimensional, strictly tumour shape conformed irradiations. The dual head positron camera BASTEI has been installed at the treatment place in order to measure the decay of the ß+-emitters during the irradiation and a few minutes after. Two ways to verify the treatment plan by PET are possible. # In critical situations when the beam has to pass very heterogeneous structures and radiosensitive organs are situated in the direction of the beam behind the Bragg peak, a monoenergetic low dose beam pulse can be applied to the patient. The range of the particles can be derived from the simultaneous PET scan, so that the correct range calculation of the treatment plan is ensured before the therapeutical irradiations are started. # During each fraction of the heavy ion therapy the ß+-activity distributions are measured routinely. Based on the time course of every individual therapy fraction the expected ß+-emitter distribution is computed. By comparing the simulated with the measured data the precision of the dose deposition of this single therapy fraction is assessed. If a considerable disagreement between these two distributions is revealed by this comparison the treatment plan has to be modified before proceeding with the following therapy fraction. The PET data are recorded in list mode, together with a protocol of important accelerator parameters of the irradiation. Because of the half-lives of the most abundant ß+-emitters 11C and 15O it is on principle impossible to obtain the precise position of the 12C therapy beam by PET during the irradiation. …

Universiẗat, Diss.--Hannover, 2006.

Aachen, Techn. Hochsch., Thesis (doctoral).

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2002

Zugl.: Magdeburg, University, Diss., 2006.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Zugl.: Krems, Univ., Masterarbeit, 2005

Thesis (master)--Donau Universität, Krems. / Includes bibliographical references (p. 148-149) and register.